引言

反作用飞轮是卫星姿态控制系统的重要执行机构，其主要功能是根据姿态控制系统的指令改变飞轮电机的转速，通过动量交换，实现卫星的姿态控制或补偿系统干扰。反作用飞轮系统内部主要由电机、驱动和编码器等构成。无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor,BLDCM）具有铁心损耗小、磁阻力波动小、控制方式简单等优点，被广泛地应用于反作用飞轮的电机驱动。反作用飞轮的转速控制精度直接影响卫星的姿态控制精度，为实现卫星高稳定度控制，必须提高无刷直流电机的转速控制精度。

为了提高飞轮的转速控制精度，科研人员在电机控制系统的多个方面均做出了研究与探索。魏鸿超等人通过锁相环稳速控制技术，提高了反作用飞轮的稳速精度[1]。申向杰等人通过直接转矩控制与直流侧电压调节结合的方式，来抑制无刷直流电机的转矩脉动，提高了反作用飞轮的转矩输出精度[2]。孔令波等人针对轴承摩擦、模型不确定度以及霍尔传感器测速精度差等问题，研究了采用线性扩张状态观测器对飞轮转子速度、扰动力矩进行实时估计与补偿[3]。谭文斌、李浩东等人提出了使用LuGre模型的非线性观测器补偿方法来处理摩擦力[4-5]。闫彦等人通过设计自适应控制器对电机转速进行控制，同时通过对摩擦力矩和负载力矩进行分离，实现对摩擦力矩的针对性补偿[6]。上述方法虽然能够提升电机控制精度，但是会出现计算量较大、工程应用复杂等问题。

在实际的电机控制中，传统的PI控制结构简单，易于调节，应用广泛[7-11]。由于无刷直流电机是一个典型的非线性多变量强耦合的系统，其参数易受到未知扰动影响而发生变化，还会受到随即摩擦等不利因素的影响。普通的PI控制器难以同时兼顾抗扰性能和控制性能。在经典控制理论中，干扰的抑制能力主要通过增加控制系统的开环增益，或是采用比例积分控制。然而，上述两种方案对干扰的抑制能力与控制系统的带宽成正比，对于实际的工程系统，受限于计算机的运算能力、传感器的测量能力和执行机构的响应能力，控制带宽不可能无限制增大。在有限的控制带宽条件下，控制器对动态干扰的抑制能力有限。

近年来，基于干扰观测器的控制（Disturbance-Observer-Based Control，DOBC）及其相关方法在各控制领域得到了广泛的研究和应用[12-15]，其核心思想是通过干扰观测器估计得到外部干扰的信息，进而通过前馈控制方法减弱甚至直接消除干扰的影响。本文基于扰动观测器原理，结合非线性控制理论，设计了一种结构简单、易于调试的扰动观测控制器，既能满足航天工程应用的可靠性需求，又能精确估计并抑制扰动的影响，实现反作用飞轮高精度的转速控制。

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作者信息：

沈莹，张晓磊，孔令波，胡慧莹

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