50Nms磁悬浮反作用飞轮转子优化设计方法的研究

介绍了一种额定工作转速为-5000rpm-5000rpm，额定角动量为50Nms的五自由度磁悬浮反作用飞轮。利用多学科设计优化软件iSIGHT及有限元分析软件ANSYS，通过序列二次规划法对飞轮转子进行了多学科设计优化研究：以转子质量为优化目标，以转子、静力学、共振频率、转子动力学、角动量、几何尺寸等多学科要求同时作为约束条件进行了优化设计。结果表明，通过多学科设计优化，在满足设计要求的同时，使转子重量达到了最小化（4．09kg），提高了设计效率和设计质量，在航天器姿态控制系统的设计中具有现实意义。     

基于BP神经网络的磁悬浮飞轮控制

针对磁悬浮飞轮控制对鲁棒性、低功耗及不平衡振动抑制等要求,提出BP神经网络直接控制方法。设计了两层结构BP神经网络控制器,基于磁轴承电磁力方程推导网络权值更新算法,实现了神经网络的在线训练。仿真表明,控制器权值更新算法对环境变化适应能力强,训练成功率高;BP神经网络控制器具有起浮迅速、抗干扰能力强、功耗低等性能,并具备不平衡振动抑制能力。结果表明BP神经网络控制器满足磁悬浮飞轮控制要求,具有可行性和有效性。     

基于iSIGHT的磁悬浮反作用飞轮优化设计

针对一种额定角动量为15Nms的磁悬浮反作用飞轮,分析了系统的控制模型,得知若飞轮转子质心位于上下径向磁轴承几何对称中心,可以减少控制参数的耦合,简化控制器设计。基于此分析结论,以优化设计软件iSIGHT为平台,对15Nms的磁悬浮反作用飞轮进行了多学科优化设计方法研究,改进了原有的优化设计方法,设计结果表明:在保证多约束条件下使转子质量达到最小,同时降低控制系统调试和检测的难度。此优化方法进一步提高了飞轮的设计和调试效率,有助于实现系统的高精度控制。     

基于主动磁轴承的高速飞轮转子系统的非线性控制研究

针对控制力矩陀螺——主动磁轴承飞轮转子系统的强非线性和由陀螺效应产生的进动和章动导致系统的失稳问题,提出了神经网络的控制方案,设计了RBF神经网络控制器,并给出了李亚普诺夫函数的稳定性证明。研究表明,该控制器解决了陀螺效应导致的主动磁轴承-飞轮转子的不稳定性问题,且抑制了噪声对磁轴承稳定性所造成的破坏。最后,数值算例证明了该方法消除噪声的可行性和有效性。     

磁悬浮框架飞轮磁轴承技术研究与发展现状

对磁悬浮框架飞轮(MSGFW)和高精度磁轴承研究现状及其未来发展进行了详细阐述。根据转子悬浮力类型,将磁悬浮框架飞轮分为磁阻力构型、洛伦兹力构型和混合力构型,并结合三种构型论述了国内外框架飞轮的发展过程。在此基础上,对球面磁阻力磁轴承和洛伦兹力磁轴承进行了详细介绍,并结合磁路图分析其工作原理,比较了同类磁轴承的优劣。展望了磁悬浮框架飞轮与高精度磁轴承的未来发展方向,指出高动态响应检控共位平动球面磁阻力磁轴承,标准磁悬浮动量球和磁悬浮控制敏感球是磁悬浮框架飞轮的研究重点。     

磁悬浮飞轮转子系统的快速Terminal滑模控制

针对磁悬浮飞轮(MSFW)高精度控制的要求,提出了磁悬浮飞轮转子的快速Terminal滑模控制(FTSMC)以实现其鲁棒控制。建立了MSFW动力学方程,对MSFW受控自由度引入交叉反馈设计实现了各自由度解耦,分析并选取了三阶非线性微分跟踪器得到所需的微分信号,设计了快速Terminal滑模控制器,并利用Lyapunov函数证明了该控制系统的稳定性。仿真结果表明,与采用普通滑模控制相比,该控制系统具有状态响应快、系统状态在设定时间内迅速收敛以及抖振小等特点。     

扁平型外转子混合磁悬浮飞轮动力学分析

针对扁平型外转子磁悬浮飞轮,考虑轴向被动悬浮刚度影响,采用理论模型与数值模拟相结合的方法,对系统静态悬浮和稳定旋转两种工况下的动力学特性进行了研究.结果表明,静态悬浮时,轴向刚度的变化对径向摆动固有频率影响明显,径向刚度的变化主要影响系统径向刚体平动固有频率,振型交换区内系统振型为转子刚体平动与摆动的叠加;稳定旋转时,轴向刚度的变化主要影响低速圆锥涡动频率,径向刚度的变化主要影响圆柱涡动频率.     

基于BM3803+FPGA的磁悬浮飞轮磁轴承控制器的设计与实现

磁悬浮飞轮是卫星进行高精度姿态控制的理想执行机构,BM3803作为国内具有自主产权的SPARC V8构架的空间处理器,具有高可靠性、可移植性、可扩展性等特点,为了提高空间用磁悬浮飞轮控制系统的可靠性和灵活性,对基于BM3803的磁轴承数字控制器进行研究.首先,对磁轴承系统进行建模,并选择合适的控制策略.接着,提出了一种基于BM3803+FPGA的磁轴承数字控制器方案.然后,搭建了实验系统并测试系统的实际性能.经理论分析,基于BM3803+FPGA的磁轴承控制器相对基于DSP+FPGA的控制器失效率降低了30%,实验结果表明新的系统功耗降低10%,在磁悬浮飞轮工作转速范围内,飞轮转子跳动量小于18μm,达到了较高的控制精度.     

飞轮和控制力矩陀螺高速转子轴向干扰特性的研究

飞轮和控制力矩陀螺的高速转子在工作过程中所产生的轴向振动不客忽视,通过分析高速转子产生轴向振动的原因,并进行相关的理论分析,提出了降低转子轴向振动的措施和方法.研究结果表明,通过一定的改进措施可以减小高速转子的轴向振动,从而可以提高卫星的姿态控制精度和稳定度.     

高精度飞轮控制系统方案分析研究

卫星姿态控制是卫星控制领域里的最重要的一个方面 ,用于保证卫星的正常工作。一般的卫星姿态控制都采用飞轮控制方案 ,所采用的飞轮有磁悬浮飞轮和普通飞轮两种。虽然磁悬浮飞轮能克服飞轮自身摩擦力对卫星姿态的影响 ,但是磁悬浮飞轮在制造、工艺等方面要求高 ,而且成本昂贵。本文讨论了采用直流无刷电机控制普通飞轮的方案中关于转速和电流这两个关键参数的高精度控制问题 ,并给出了实际可行的解决方法。这些方法已在某型卫星上得到了部分应用。     

考虑质心漂移的载人月面着陆器自适应姿态跟踪控制

月面着陆器在下降着陆过程中质量变化大,质心漂移及其引起的姿态扰动问题突出。载人月面着陆任务对安全性可靠性要求高,如何提高姿态控制的精度和稳定度是着陆任务顺利实施的关键。文章提出采用反作用控制系统和推力矢量控制的联合姿态控制方案,设计了自适应姿态控制器及质心漂移自适应估计器,通过李雅普洛夫方法证明闭环姿态控制系统稳定,引入反作用控制和推力矢量控制的误差特性以检验控制器的鲁棒性。数值仿真结果表明该控制方案可行,所设计自适应姿态控制器能使姿态控制系统稳定,推力矢量控制侧摆能使推力指向跟踪质心,可为工程应用提供参考。