磁悬浮飞轮与机械飞轮干扰特性的对比分析

针对飞轮在工作过程中对航天器姿态控制精度和稳定度所产生的不利影响,提出使用干扰模型来对比分析和研究磁悬浮飞轮与机械飞轮的干扰特性。通过建立飞轮系统的数学模型,得到机械飞轮与磁悬浮飞轮的平动及转动的干扰特性,比较和分析两种飞轮干扰特性的相同点和不同点,运用试验对分析结果进行验证。研究结果表明,高速转子的不平衡振动是产生飞轮干扰的主要原因,机械飞轮由于支承的固有特性使得干扰的频率成分相对比较复杂,采用磁轴承使得高速转子与支承之间具有一定的间隙存在,所以转子的陀螺效应表现得更为明显,当飞轮转速达到转子系统反向涡动频率时会产生较大干扰。     

磁悬浮飞轮不平衡振动前馈抑制方法与实验

针对磁悬浮飞轮不平衡质量导致转子在高速旋转时径向振幅较大的缺点,提出了一种前馈抑制方法。建立了磁轴承转子动力学模型,基于达朗伯原理,分别得到了不平衡质量矩引起的动约束力和转子惯性轴偏离几何轴引起的离心力。仿真结果表明:转子两端的不平衡质量大小相等,转速为5000r/min时,飞轮转子采用前馈抑制方法后,转子径向振幅从12μm减小至2μm,减小约83%。实验结果与仿真结果一致,验证了前馈抑制方法可大幅度提高飞轮系统的稳定性。     

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。     

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。     

磁悬浮飞轮位移传感器谐波扰动的主动抑制

针对磁悬浮飞轮转子位移传感器谐波噪声引起的多频扰动问题,提出了一种基于级联相移陷波器的全转速自适应控制方法。首先根据多频扰动特性,构造分级的自适应相移陷波器,每级陷波器对应一个陷波频率;然后,将陷波器级联,分别设置相角补偿矩阵解决闭环控制回路在全转速范围内的稳定性问题。最后,以五自由度磁悬浮飞轮为实验对象进行实验验证,实验结果表明,所提出算法能够在全转速范围内有效地抑制谐波扰动。     

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子高频自激振动的抑制

磁悬浮控制力矩陀螺（CMG）中转子一阶弹性模态自激振动是影响磁悬浮高速转子系统稳定性的关键因素之一.自激振动通常可以采用陷波器（NF）进行抑制,然而引入NF或改变其参数以及转子转速的变化均会改变模态自激频率,因而难以直接准确地确定NF参数.本文提出一种仿真确定NF参数的方法,通过转子弹性模态缩减建模和模态参数确定得到准确的弹性转子动力学模型,进而采用闭环仿真优化确定NF中心频率和极点阻尼.采用该方法设计的NF有效抑制了转子的高频弹性模态自激振动,使得磁悬浮CMG转子可以稳定升速到24000r/min.实验结果验证了该方法的实用性和有效性.     

磁悬浮飞轮优化设计与实验

针对在轨磁悬浮飞轮转子系统,考虑发射主动段振动工况,提出一种基于灵敏度分析的多学科优化设计方法。通过比较分析内、外锁紧方案对锁紧状态飞轮转子系统共振频率的影响,得到了较优的抱式外锁紧方案。在此基础上,对飞轮转子进行灵敏度分析,并选择高灵敏度结构参数作为优化设计变量。考虑其结构强度、转动惯量、控制性能、自由状态和锁紧状态一阶共振频率,以飞轮转子质量最小为优化目标,利用序列二次规划法对其进行多学科优化设计。优化结果表明,在满足发射振动工况下,飞轮转子极转动惯量与质量的数值比达到最大为0.0070,比初始值0.0064提高了9.4%。该优化方法提高了飞轮转子设计的可靠性和效率,其首次在轨实验成功对我国磁悬浮飞轮空间应用具有重要意义。     

一种基于多霍尔的磁悬浮反作用飞轮速率模式控制方法

针对磁悬浮反作用飞轮速率模式高精度驱动控制问题,采用27个开关式Hall位置传感器,提出基于常增益卡尔曼滤波转速估计算法的转速测量方法,有效提高了飞轮转速控制精度。实验结果表明,低转速时,与12个Hall位置传感器测速方法相比较,力矩输出精度提高了一个量级,达到3×10-4N.m。     

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。     

一种超薄反作用飞轮的大面积磁悬浮结构分析

为提高轴向磁通反作用飞轮的轴向刚度和寿命,结合轴向磁通飞轮的结构,提出一种超薄、大面积磁悬浮的反作用飞轮。重点分析该飞轮的大面积磁悬浮结构,从磁环的宽度、磁环的充磁方向、磁环间距、铁芯厚度和磁悬浮刚度五个方面展开研究。通过有限元仿真可以发现：随磁环宽度的增加,定子对转子的斥力是先增大后减小;定子内外环磁化方向相反时比相同时能得到更大的斥力;在内外环磁化方向相反时,内外环磁钢间距越小,定子对转子斥力越大;磁悬浮部分铁芯厚度的减小对定转子间的斥力的影响极其有限,但对降低飞轮重量具有重要意义;磁悬浮的刚度与转子偏离中心的距离近似成正比。     

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。     

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。     

磁悬浮飞轮用新型异极性永磁偏置径向磁轴承

为满足应用于航天器姿控、储能的磁悬浮飞轮采用的扁平构型或高转速转子需求,提出了一种新型异极性永磁偏置径向磁轴承,具有轴向长度短、结构紧凑的优点,有利于扁平转子或高速转子的磁悬浮控制。在新型径向磁轴承磁路分析的基础上,通过应用于50 Nms反作用飞轮的设计实例,经仿真分析,校验了新型径向磁轴承的基本性能;并与传统同极性永磁偏置径向磁轴承进行了比较,验证了新型径向磁轴承的优点。     

不平衡振动自适应滤波控制研究

研究衰减卫星姿态抖动的控制方法。以星载磁悬浮变速控制力矩陀螺为对象,考虑转子动、静不平衡特性建立动力学模型。选取在定义的转子准几何体坐标系中列写动力学方程,使得能够充分利用磁间隙的小角度背景,设计磁轴承径向指令控制力;在忽略高阶小量下给出的转子动静不平衡描述,能够清楚地给出不平衡带来的干扰力和力矩以及在测量信号中所具有的形式。基于上述分析,给出归一化最小均方算法的自适应噪声滤波器,并得出经过滤波后,测量量中将主要是惯量主轴的位置信息;将其作为带有高、低通滤波的分散PD加比例交叉控制器的输入,能够达到衰减高速转子不平衡振动引起的星体姿态抖动的目的。建立仿真模型,分转子速率恒定和可变两种情况,进行了仿真检验,均达到了振动衰减的目的。     

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.     

某磁悬浮飞轮控制模型及其转子质心轴向偏移仿真分析

基于某磁悬浮飞轮转子动力学模型,根据现代控制理论构建了该飞轮系统的状态控制模型。由极点配置法设计了全状态反馈控制器,用Matlab/Simulink软件仿真分析了转子系统质心的轴向偏移对控制器设计和整个系统性能的影响。结果表明:设计的飞轮转子系统满足要求。分析对磁悬浮飞轮系统的优化设计有一定的参考意义。     

MSCSG转子系统的扩展双频Bode图稳定性分析方法

为分析洛伦兹力磁轴承驱动磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）转子偏转过程中的稳定性，针对现有双频Bode图稳定性判据方法仅适用于最小相位系统的不足，提出一种基于扩展双频Bode图的稳定性分析方法。根据洛伦兹力磁轴承工作原理建立了MSCSG转子偏转系统动力学模型；通过变量重构，将实系数双输入双输出系统等效变换为复系数单输入单输出系统；在分析Nyquist曲线与Bode图关联性的基础上，提出针对非最小相位系统的扩展双频Bode图稳定性判据，对不同转速下MSCSG转子系统稳定性进行预测，并通过转速根轨迹曲线预测转子系统的转速稳定区间。所提出的扩展双频Bode图稳定判据结果与时域仿真校验结果相一致，验证了本文所提出的稳定性分析方法的正确性和有效性。     

涡轮泵转子弯扭耦合振动与分岔特性研究

根据实际涡轮泵转子建立质量集中的多盘转子模型,在考虑阻尼的情形下,推导建立不平衡转子弯扭耦合振动的动力学微分方程,并对其进行仿真,得到工作转速下涡轮泵转子弯扭耦合振动的特征图形;以转速为分岔特性参数,在不同偏心距下对涡轮泵转子的分岔特性进行研究发现,偏心距是转子弯扭耦合振动的重要影响因素,偏心距越大,涡轮泵转子的弯扭耦合振动作用越明显。     

高速无刷直流电机在磁悬浮惯性执行机构中的应用研究进展

为了满足新一代卫星平台高精度、高稳定度的需求,研制了一种磁悬浮惯性执行机构用功耗低、精度高、体积小、重量轻的高速无刷直流电机,提出了多约束条件下电机定子结构和转子磁体结构的设计优化原则及方法,并就高精度的锁相速度控制以及铁耗和转矩脉动的抑制方法进行了研究.对比分析了国内外高速永磁无刷直流电机在磁悬浮惯性执行机构中的应用研究现状,指明了所提出的设计原则和控制方法对提高磁悬浮惯性执行机构整体性能的有效性.     

高精度磁悬浮CMG框架测角的快速最优估计算法

为了提高磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）框架系统的速率伺服精度,克服旋转变压器的测角精度有限的缺点,提出一种高精度MSCMG框架测角的快速最优估计算法。该算法根据旋变角位置信号对位置和速度信号进行实时滤波估计,从而抑制信号中的随机噪声,通过改进的滤波增益确定方法降低了算法复杂度。最后该方法在DSP上实现,实验证明其有效可行,提高了测角精度,实现了由低精度传感器获得高精度速率伺服的性能。