引言

反作用飛輪是衛星姿態控制系統的重要執行機構，其主要功能是根據姿態控制系統的指令改變飛輪電機的轉速，通過動量交換，實現衛星的姿態控制或補償系統干擾。反作用飛輪系統內部主要由電機、驅動和編碼器等構成。無刷直流電機（Brushless Direct Current Motor,BLDCM）具有鐵心損耗小、磁阻力波動小、控制方式簡單等優點，被廣泛地應用于反作用飛輪的電機驅動。反作用飛輪的轉速控制精度直接影響衛星的姿態控制精度，為實現衛星高穩定度控制，必須提高無刷直流電機的轉速控制精度。

為了提高飛輪的轉速控制精度，科研人員在電機控制系統的多個方面均做出了研究與探索。魏鴻超等人通過鎖相環穩速控制技術，提高了反作用飛輪的穩速精度[1]。申向杰等人通過直接轉矩控制與直流側電壓調節結合的方式，來抑制無刷直流電機的轉矩脈動，提高了反作用飛輪的轉矩輸出精度[2]。孔令波等人針對軸承摩擦、模型不確定度以及霍爾傳感器測速精度差等問題，研究了采用線性擴張狀態觀測器對飛輪轉子速度、擾動力矩進行實時估計與補償[3]。譚文斌、李浩東等人提出了使用LuGre模型的非線性觀測器補償方法來處理摩擦力[4-5]。閆彥等人通過設計自適應控制器對電機轉速進行控制，同時通過對摩擦力矩和負載力矩進行分離，實現對摩擦力矩的針對性補償[6]。上述方法雖然能夠提升電機控制精度，但是會出現計算量較大、工程應用復雜等問題。

在實際的電機控制中，傳統的PI控制結構簡單，易于調節，應用廣泛[7-11]。由于無刷直流電機是一個典型的非線性多變量強耦合的系統，其參數易受到未知擾動影響而發生變化，還會受到隨即摩擦等不利因素的影響。普通的PI控制器難以同時兼顧抗擾性能和控制性能。在經典控制理論中，干擾的抑制能力主要通過增加控制系統的開環增益，或是采用比例積分控制。然而，上述兩種方案對干擾的抑制能力與控制系統的帶寬成正比，對于實際的工程系統，受限于計算機的運算能力、傳感器的測量能力和執行機構的響應能力，控制帶寬不可能無限制增大。在有限的控制帶寬條件下，控制器對動態干擾的抑制能力有限。

近年來，基于干擾觀測器的控制（Disturbance-Observer-Based Control，DOBC）及其相關方法在各控制領域得到了廣泛的研究和應用[12-15]，其核心思想是通過干擾觀測器估計得到外部干擾的信息，進而通過前饋控制方法減弱甚至直接消除干擾的影響。本文基于擾動觀測器原理，結合非線性控制理論，設計了一種結構簡單、易于調試的擾動觀測控制器，既能滿足航天工程應用的可靠性需求，又能精確估計并抑制擾動的影響，實現反作用飛輪高精度的轉速控制。

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作者信息：

沈瑩，張曉磊，孔令波，胡慧瑩

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