随着小卫星的广泛应用,长期工作且功耗较大的载荷,如通信、导航等,越来越多地被部署在小卫星上。因此需要使用太阳帆板伺服系统,使太阳能电池阵始终指向太阳,载荷指向任务方向,以保证在不间断任务的情况下,为卫星系统提供充足的能源。该伺服系统的设计难点主要在于:(1)复杂多变的运行环境会造成系统模型参数的变化;(2)高质量速度反馈信号的需求;(3)永磁同步电机+帆板柔性负载组成的非线性系统的复杂动力学行为。为实现该伺服系统高精度、高鲁棒性的转速跟踪控制,本文的主要研究内容如下。首先,本文对速度反馈信号进行了改善,因为这对高精度转速控制至关重要。太阳帆板伺服系统运行在低速,其有限分辨率编码器的位置量化误差较大,位置差分会引入剧烈的速度观测噪声,造成转速的波动。本文对这种观测噪声进行建模,以分析这种转速波动的机理。针对速度观测噪声的特点,本文采用改进的跟踪微分器对速度信号进行准确、快速地估计,并对其参数进行了详细的讨论。同时,改进型跟踪微分器得到的优质微分信号将被用于基于数据的伺服系统参数辨识。然后,本文详细分析了伺服系统的动力学特性。先将永磁同步电机模型进行仿射变换写成一个典型的洛伦兹方程,并通过Poincaré截面、分岔图和Lyapunov指数这三种工具对电机的混沌现象进行判定。然后,在太阳帆板这一柔性负载的考虑下,本文分析了系统主要参数,包括转子的摩擦阻尼系数、铰链内部结构的摩擦阻尼系数和等效的弹簧刚度系数,对系统动力学行为和混沌现象的影响。在这些参数的共同影响下,伺服系统会产生混沌现象,造成转矩和转速的非周期性震荡。在对伺服系统模型有了充分认知后,本文对其进行混沌控制。先用基于数据的方法,从电流、转速数据中辨识出伺服系统的模型,包括电机本体模型和太阳帆板负载模型。因为辨识算法需要用到数据的微分信号,所以这里采用了上文提到的改进型跟踪微分器。最后,本文提出用状态反馈对伺服系统进行混沌控制,并由辨识出来的系统参数计算出最佳的状态反馈增益,配置闭环系统的极点到期望位置,从而使闭环系统的动态响应特性符合期望指标。仿真表明,控制结果满足期望指标,能够保证太阳帆板伺服系统在环境发生变化时稳定运行。