一种磁悬浮飞轮转子位移信号转速估计方法

针对无测速传感器条件下磁悬浮飞轮主动振动抑制所需的转速信号的高精度提取问题,首先提出了一种改进Hilbert变换转速估计方法,实现了仅通过一路转子径向位移信号获得高精度的转子转速信号;将所估计的转速信号引入磁悬浮飞轮不平衡振动控制仿真模型中,对所提出的转速估计方法进行了仿真分析;在磁悬浮飞轮样机上进行了所提出的改进Hilbert变换转子转速估计方法的验证,并对引入估计转速信号前后磁悬浮飞轮的振动信号进行了对比分析。仿真和实验结果表明,此方法在磁悬浮飞轮处于变速和恒速两种情况下都具有良好的适应性,在磁悬浮飞轮的工作转速范围内引入转速估计信号后同频不平衡振动衰减达到80%以上。     

含有不平衡飞轮的卫星精确动力学模型研究

针对含不平衡飞轮的卫星动力学模型,给出了不平衡飞轮的转动惯量矩阵。用多刚体建模方法,建立了综合的完整姿态动力学分析模型,提出了质心位置的计算方法。通过飞轮系统的完整精确模型,将飞轮扰动对三轴姿态稳定卫星的影响反映至滚转一俯仰一偏航三轴姿态。Matlab／Simulink环境中仿真验证了该系统角动量为常值。分析了不平衡飞轮对卫星姿态的影响,并解释了模型的应用。研究表明飞轮扰动影响不可忽略,精确的动力学模型对未来航天器的应用有重要意义。     

磁悬浮控制力矩陀螺的动框架效应及其角速率前馈控制方法研究

在磁悬浮控制力矩陀螺中,局限于磁悬浮轴承系统的动态响应速度,框架的转动将使转子轴的角位移和轴心跳动量显著增大(动框架效应),甚至碰撞保护轴承,严重影响磁悬浮系统的稳定性。本文建立框架转动时的磁悬浮转子相对运动模型,分析了框架转动对磁悬浮转子的单方向作用,在Simulink仿真的基础上提出一种抑制动框架效应的角速率前馈控制方法。实验结果表明,磁悬浮轴承采用角速率前馈控制后,转子跳动量被抑制到原来的18％,大大提高了控制力矩陀螺磁悬浮系统的稳定性,同时还改善了控制力矩陀螺的力矩输出特性。     

卫星储能/姿控一体化飞轮构型及其误差分析

介绍了卫星储能/姿控一体化飞轮的偏置动量、零动量和单个飞轮的不同构型及其组成,并分析了成对飞轮偏置动量、单个飞轮零动量构型的动量和能量转换。建立了偏置动量和零动量飞轮的控制模型。对电机转矩不对称,以及转子转动惯量和安装不同轴误差对卫星姿态的影响进行了仿真试验。结果表明,前者的影响甚微;后者在不同轴误差为0.2°时,转动误差应小于2%。     

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。     

基于MEMS加速度计的快速反射镜复合控制

设计研制了基座含MEMS加速度计的两轴快速反射镜样机,底部的两组MEMS加速度计测量干扰形成控制前馈,用自适应方法调节前馈系数,从而增强抑制角振动能力。样机的仿真和实验结果显示,静态精度优于1″、小信号带宽高于200Hz。仅转角反馈PID回路工作时对基座振动引起的角振动抑制-42.8d B,增加MEMS加速度前馈回路后达到-47d B。     

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。     

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。     

采用混合执行机构的卫星快速机动技术研究

研究了一种采用混合执行机构的姿态单轴快速机动的控制方法.设计了由平行构型单框架控制力矩陀螺(SGCMG)和飞轮组成的混合执行机构配置方案.综合姿态机动规划,设计了前馈和反馈相结合的姿态机动控制律,并通过执行机构动力学分析给出了操纵律.仿真结果表明:采用平行构型SGCMGs和飞轮的混合执行机构模式,可实现姿态三轴高精度稳定控制和侧摆快速机动的任务要求.     

低轨偏置动量卫星气动干扰力矩补偿控制研究

针对低轨卫星由于气动干扰力矩较大导致偏置动量控制精度较低的问题,理论分析了气动干扰力矩并进行建模,讨论了基于角动量与角速率作用产生陀螺力矩的影响。固定偏置动量卫星X、Z轴基于磁力矩器控制,气动干扰力矩严重时又处于磁不可控区,为确保姿态控制精度,考虑增加1台反作用飞轮抑制气动干扰力矩,反作用飞轮可与偏置动量轮组成单自由度偏置动量控制,反作用飞轮用作补偿轮,沿X轴安装。采用飞轮角动量补偿和磁补偿方法提高固定偏置动量控制精度:为防止赤道上空X轴处于磁不可控区时补偿轮角动量变化对X轴的干扰,对补偿轮角动量输出进行限幅,给出了补偿算法;为防止反作用飞轮限幅后角动量对Z轴产生干扰,设计了磁补偿控制策略。仿真结果表明:在同时采用角动量补偿和磁补偿后三轴姿态控制精度0.2°,较无补偿时有大幅提高。     

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。     

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。     

挠性框架对陀螺飞轮性能影响分析

挠性框架是实现陀螺飞轮输出三轴控制力矩、测量外界角速度的关键部件。通过数值计算分析了挠性框架平衡环的惯量特性、内/外弹性元件的摆动刚度,以及倾侧角度对陀螺飞轮整机性能指标的影响。分析结果表明:降低挠性框架剩余刚度系数可以提高陀螺飞轮转子摆角控制精度,降低控制力矩。     

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。     

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.     

飞轮不平衡对卫星颤振影响分析

基于卫星飞轮的静动不平衡原理,对飞轮的静动不平衡进行了建模。根据建立的整星动力学模型进行了仿真分析。结果表明：飞轮的静不平衡对整星的扰动较动不平衡大2个量级,是主要的颤振激励源。     

磁悬浮力矩陀螺内外框架低速高精度控制技术研究

建立了双框架磁悬浮力矩陀螺(DGMSCMG)内外框架伺服系统耦合动力学模型,并针对未知扰动影响的非线性不确定系统,用基于扩张状态观测器(ESO)的扰动力矩估计器获取补偿力矩,在常规的比例积分微分(PID)控制器中通过前馈方式对内外框架进行前馈力矩补偿。仿真结果表明:干扰补偿控制能有效抑制航天器及框架对磁悬浮转子的耦合干扰,并提高了磁悬浮转子系统的稳定性。     

大型三轴气浮台转动惯量和干扰力矩高精度联合辨识技术

利用三轴气浮台对遥感卫星进行载荷平台一体化全系统闭环物理仿真,可模拟卫星在轨运行时的动力学特性,验证整星在轨状态下的姿控特性和相机成像特性等。高精度辨识气浮台转动惯量和综合干扰力矩为三轴气浮台质量特性调整及量化评估整星级试验性能提供重要参数。文章提出一种新的大型三轴气浮台转动惯量和干扰力矩联合辨识技术,通过台上飞轮对三轴施加激励作用,利用激光陀螺等姿态测量数据实现对台体惯量矩阵和干扰力矩的高精度联合辨识。与传统辨识方法不同,该技术仅利用本体角速度信息,不需要角加速度信息,避免了角速度微分引起的噪声放大,将转动惯量辨识相对误差控制在3.5%以内,气浮系统综合干扰力矩优于0.003 N·m,满足了高精度参数辨识需求。     

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。     

一种基于飞轮角动量正反馈的外干扰力矩补偿技术研究

在有较复杂外干扰力矩条件下,对一种基于飞轮角动量正反馈的外干扰力矩补偿技术进行了研究。建立了零动量卫星的三轴姿态动力学模型,分析了环境外干扰力矩对滚动-俯仰-偏航姿态的影响,设计了补偿方案:用低通滤波器的角动量正反馈对外力矩进行补偿,导出了控制器补偿项的数学表达式;引入磁卸载+磁前馈分别消除飞轮饱和及削弱磁力矩干扰的影响,给出了滚动-偏航、俯仰通道的控制模型和数学表达式。仿真结果表明:采用该方法三轴姿态角控制精度高,飞轮转速被限制在一定范围内,有效削弱外干扰力矩对星体姿态控制的影响,提高了卫星的姿态控制精度。