消旋天线机构轴承摩擦力矩研究

叙述了在大气条件下,不同轴向载荷,转速,滚珠数和润滑剂对C7046112轴承摩擦力矩的影响。试验结果表明:轴承轴向载荷与摩擦力矩关系并非单调上升函数,而是一个具有极大值与极小值的周期函数,并对试验结果进行了讨论。文内对进行试验的DZS-1气浮加载轴承动态特性试验设备也进行了介绍。     

飞轮轴承润滑最佳油量的估算方法及实验验证

卫星姿控飞轮通常采用一对精密油润滑角接触球轴承进行旋转支撑.由于飞轮长寿命、高可靠、高精度要求和独特的空间环境,轴承采用微量油润滑.润滑油过多和不足都将导致飞轮轴承摩擦力矩增大和寿命降低,因此存在轴承润滑最佳油量.基于弹流润滑理论,提出了飞轮轴承润滑最佳油量的理论计算方法,并通过球-盘摩擦副进行实验验证.实验结果验证了飞轮轴承润滑最佳油量理论计算方法的有效性.     

控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩特性研究

控制力矩陀螺轴承组件是空间飞行器姿态控制系统的核心部件，其轴承的性能直接影响着空间飞行器姿态控制系统的控制精度和使用寿命，甚至危及空间飞行器安全.对于控制力矩陀螺轴承组件，轴承摩擦力矩大小及其波动性是轴承的关键性能指标，针对空间飞行器控制力矩陀螺轴承组件，在滚动轴承摩擦学和动力学基础上，建立六自由度控制力矩陀螺轴承组件非线性动力学微分方程组，并采用预估 校正的GSTIFF(Gear stiff)变步长积分算法进行求解，对其在有/无重力的工作环境、公 自转工况、轴承预紧力以及保持架兜孔间隙对轴承摩擦力矩幅值及其波动性的影响进行分析.分析结果表明：预紧力对轴承组件摩擦力矩影响显著，预紧力过大或过小都不利于降低摩擦力矩及其波动性，对于本文分析的轴承组件最佳预紧力为50~55N；保持架稳定性受重力影响显著，无重力时自转工况下保持架较稳定；过小的兜孔间隙会使摩擦力矩增大，过大的兜孔间隙会使摩擦力矩波动性增大，存在最优兜孔间隙使得摩擦力矩及其波动性都较小，针对本文分析型号的轴承组件，间隙比应控制在0.6~0.8之间.     

飞轮转速过零时卫星姿态的非线性控制

当飞轮转速过零时,摩擦力矩发生非线性变化,控制作 用力矩出现不确定性,从而影响卫星的姿态控制性能。文章基于一种具有鲁棒性的非线性控 制方法,发展了简单、可靠和稳定的非线性反馈控制律。仿真实例表明,该方法能够有效地 抑制反作用飞轮转速过零时引起的姿态扰动,从而实现高精度的卫星姿态控制。     

一种预估反作用飞轮过零寿命的计算方法

对反作用飞轮轴承组件的边界润滑状态、疲劳寿命进行了理论分析,并对边界润滑的摩擦模型进行了一定简化,采用Archard磨损理论建立了磨损率与疲劳寿命的关系.根据边界润滑状态和弹流润滑状态的对比分析,建立了反作用飞轮在过零状态下的过零寿命的计算公式,可定量估算反作用飞轮的过零寿命.     

转盘轴承集聚效应分析及其对回转性能的影响

针对航天发射台转盘轴承工作时出现滚动体集聚导致摩擦力矩增大的问题，研究转盘轴承中滚动体之间间隙变化对集聚效应的影响。通过对典型工位处进行有限元分析，对比不同接触类型转盘轴承的滚道变形和滚动体接触作用力的分布规律。在确定滚动体与隔离块的几何关系后，进一步分析了滚道变形和滚动体接触作用力的时变性对滚动体间隙变化的影响，并将间隙变化和集聚效应建立了联系。有限元计算得到的发射台框架变形与实验测量数据一致，验证了有限元计算的可靠性。仿真结果显示，由于下滚道发生轴向变形，滚动体在运动过程中不断交替进行“爬坡”和“下坡”；滚道径向变形导致滚动体之间增大了较多的间隙；各滚动体的驱动摩擦力不断变化，运动状态具有时变性，当转盘轴承中间隙增加时，运动状态不断变化的滚动体导致增加的间隙出现累积，引起滚动体集聚。为消除滚动体集聚效应，探索其对摩擦力矩的影响，进行了对比实验。结果表明:集聚效应导致发射台的摩擦力矩增加，且变化剧烈。      

预载对飞轮用轴承组件振动特性的影响研究

轴承组件作为飞轮的核心机械部件之一,提供稳固的回转支承,其振动特性直接影响飞轮微振动水平.基于轴承组件轴向预紧原理,采用定位硬预紧轴承预载精确测量的方法为轴承组件施加定位预载,建立轴承组件振动测试系统,获得不同预载下轴承组件的振动特性,分析预载对轴承组件特征频率、固有振动特性及滚动体通过振动特性的影响.结果表明基于振动特性分析轴承组件存在最佳的预载取值范围.     

磁悬浮反作用飞轮磁轴承动反力分析及实验

针对磁悬浮反作用飞轮转子系统,提出了一种描述混合磁轴承动反力的新模型.基于拉格朗日原理,将飞轮转子两去重面内不平衡质量矩等效至两端径向磁轴承位置,并与转子惯性轴偏离几何轴引起的离心力共同作用,得到磁轴承动反力.仿真结果表明:转子两不平衡质量矩大小相等时,其振幅从相位差φa-φb=0时的30μm减小至φa-φb=π时的10μm(减小了2/3),从转速为1000 r/min时的5μm增加至5000 r/min时的10μm(增加了1倍).测试实验结果与仿真结果一致,为飞轮系统高精度高稳定度控制奠定了基础.     

小波降噪与快速包络谱峭度相结合的轴承组件故障诊断技术

作为飞轮重要的旋转支撑部件，轴承组件的性能对飞轮寿命有着重大影响,因此如何在早期对轴承组件进行筛选显得尤为重要。轴承组件在故障初期，其故障特征比较微弱，故障信号很容易淹没在背景噪声信号中，给轴承组件的早期故障判断和定位带来了很大的困难。本文以飞轮常用轴承组件为研究对象，基于快速包络谱峭度的振动测试方法，先通过对采集的轴承组件振动信号进行小波降噪，提高特征信号的信噪比，然后对振动信号进行全频段的峭度分析，可以对轴承组件进行早期的故障诊断并进行故障定位，得到轴承组件故障频率，为后续轴承组件故障诊断研究提供方法手段。     

控制力矩陀螺框架控制方法及框架转速测量方法

控制力矩陀螺是一种具有力矩放大特性的惯性执行机构,通常应用于大型航天器姿态控制。近年来,随着相关技术的发展,对基于控制力矩陀螺的中小卫星快速机动平台的需求日益迫切,这不仅需要控制力矩陀螺能够输出大力矩,而且要具有较高的力矩输出精度。本文结合工程实践,提出一种框架转速精度测量方法,以及一种采用正弦永磁同步电机,基于转子磁场定向的矢量控制方案。该框架控制方案中引入摩擦力矩观测器及其补偿算法,在控制回路中通过对摩擦力矩的补偿,可有效提高框架驱动控制系统的稳定性和动态性能。     

变速控制力矩陀螺模式调度型操纵律设计

变速控制力矩陀螺(VSCMG)是一种飞轮转速可变的单框架控制力矩陀螺,可工作在控制力矩陀螺(CMG)模式、飞轮(RW)模式以及VSCMG模式.考虑VSCMG的工作特点,设计一种工作模式自主调度的操纵律.当系统远离奇异时,仅以CMG模式工作,产生大的输出力矩.当系统接近奇异时,以VSCMG模式工作,采用RW协助CMG回避奇异.当航天器处于姿态稳定模式需要精细控制力矩时,仅以RW模式工作.该操纵律由模式调度策略、CMG操纵律、RW操纵律3部分组成,把一个3×2N矩阵的求伪逆问题转化为两个3×N矩阵的求伪逆问题,物理意义明显,奇异回避易于实现.对某4-VSCMG系统的仿真结果表明,上述操纵律是可行的.     

基于干扰观测器的磁悬浮姿控飞轮电机控制

由于磁悬浮飞轮转子不平衡振动的存在,飞轮力矩/转速控制精度受到影响.为有效地对不平衡振动干扰进行估计,提出了一种针对时变谐波扰动的非线性干扰观测方法,观测器的动态与稳态性能可以根据系统要求设定,具有全局一致收敛性;在非线性干扰观测器的基础上设计变结构控制器对飞轮转速进行控制并对干扰进行补偿,通过改进变结构控制器的滑模函数与控制律系统抖振可以有效地削弱.仿真与实验结果表明:基于非线性干扰观测器的变结构控制器具有很好的扰动抑制能力和动态响应、稳态误差调节能力,可用于实现飞轮输出力矩控制.     

控制力矩陀螺力学试验后的微振动特性变化

控制力矩陀螺是一种用于航天器姿态机动和稳定的重要执行机构.为掌握控制力矩陀螺力学试验后的微振动特性变化,用加速度传感器测量其工作状态下的加速度响应,用多分量测力计测量其工作状态下的力和力矩响应,并进行时域统计分析和频域FFT分析.结果表明,轴承偏心和点状缺陷引起的通过频率成分及其倍频成分是加速度响应的主要成分,但皆位于300 Hz以上的高频区,如果将加速度响应转换成位移响应,则转子标称转速频率成分仍占主导,力和力矩响应结果也验证了该论断.力学试验使控制力矩陀螺微振动恶化,主要原因是静、动不平衡量变大、轴承偏心变大和轴承受损.此外,转子转速和结构模态的动力耦合也会影响微振动幅值.     

磁悬浮控制敏感陀螺角动量包络分析

针对磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）空间应用问题,研究其多自由度角动量包络模型。依据MSCSG的机械结构,分析磁悬浮转子径向万向偏转特性,明晰MSCSG轴向一个自由度转子转速变化飞轮力矩和径向两自由度转子万向偏转陀螺力矩输出机理。基于洛伦兹力磁轴承（LFMB）原理,分析径向偏转力矩与控制电流的线性关系,揭示MSCSG陀螺力矩高精度高带宽的优势。考虑转子径向偏角和轴向转速饱和问题,基于重构偏角和旋转矩阵构建MSCSG角动量包络模型。仿真分析了MSCSG径向偏转力矩高精度高带宽、轴向飞轮力矩高精度的特性。开展MSCSG偏转力矩高带宽性能测试,实验验证MSCSG能够输出大于100 Hz的径向偏转力矩。研究结果表明,MSCSG具有航天器高动态微振动抑制和高精度姿态控制的空间应用前景。      

控制力矩陀螺框架谐波减速驱动系统建模与仿真

摘要： 控制力矩陀螺是航天器姿态控制系统的重要执行机构,它具有输出力矩大、速度响应快、功率消耗低、寿命长等优点,可以完成高速率的姿态机动控制.综合考虑谐波减速器的齿隙模型、非线性刚度、减速器效率等因素,对CMG框架驱动组件用谐波减速器进行精细建模.针对低速下谐波减速器的刚度较低、传动误差较大这一缺陷,建立考虑传动误差的减速器模型;与传统的不考虑传动误差的模型相比可更准确地描述谐波减速器在低速下的输出速度曲线.根据建立的CMG框架驱动系统模型,在低速下采用PID闭环控制对输出转速误差进行抑制,使输出转速误差降低了50%以上.最后分析其对谐波减速器刚度和阻尼对框架系统性能的影响.     

一种非偏置动量单飞轮加磁控制算法

为了提高飞轮控制可靠性,针对仅一个飞轮的非偏置动量三轴稳定控制问题,提出了飞轮不同安装方式下基于单飞轮和磁力矩器的稳定控制算法.仿真试验结果表明单个飞轮在XZ平面斜装时控制精度在0.3°左右,适合在纳星、皮星等微小卫星上应用,飞轮正装时仍可粗精度对地定向,适合多个飞轮故障情况下应用.     

轮控欠驱动航天器的姿态控制特性

针对由飞轮控制的欠驱动航天器,研究了直接以飞轮转速为控制输入时航天器姿态的小时间局部可控性与可镇定性。首先,视飞轮转速为输入,将航天器与飞轮总角动量守恒的约束直接纳入系统动力学方程中。然后,利用非线性系统的可控性与可镇定性理论分析该系统方程在分别带有一个和两个飞轮时的控制特性。结果表明,仅在带有两个非共轴的飞轮时航天器的姿态才有可能满足局部可控;同时,系统已经不能被时不变光滑状态反馈渐近镇定,但至少可以被分段连续的状态反馈渐近镇定。据此,设计了基于四元数的非光滑控制器使得航天器的姿态迅速镇定,同时飞轮转速不超过最大转速,既验证了理论分析结果的正确性,又具有一定的实用意义。     

一种基于串联解耦的陀螺飞轮摆角控制方法

陀螺飞轮通过挠性支撑的动量轮转子加减速及侧向摆动实现三轴控制力矩输出,飞轮转子两维侧摆伺服系统是实现三轴力矩输出功能的关键.高速转子两维侧摆运动存在强耦合,采用常规的PID控制器无法实现两通道独立输出控制力矩.给出了一种解耦控制方法,通过串联解耦矩阵实现两维摆角解耦控制,并通过实时计算解耦矩阵系数解决解耦矩阵随飞轮转子转速时变的问题.数值仿真结果验证了这种解耦控制方法的有效性.     

电液负载模拟器摩擦参数辨识及补偿

针对摩擦干扰在电液负载模拟器控制中的影响,提出了将被试件简化为自由伸缩刚性杆的摩擦力作用模型。模型中采用能全面反应摩擦特性的LuGre模型描述摩擦力大小。LuGre的静力摩擦系数和动力摩擦系数依托两种特殊工作状态进行辨识,相应的辨识数据验证了所求系数的准确性。摩擦补偿具体实施时,利用结构不变性原理,求解出摩擦补偿控制器。在此基础上,对负载模拟器开展了位移伺服、力矩伺服、多余力等方面的摩擦力补偿实验。实验结果表明,所求解的LuGre模型及摩擦补偿控制器可以较好地消除摩擦力对负载模拟器控制的影响。     

一种抑制反作用轮低速摩擦对卫星姿态扰动的方法

在现代卫星的姿态控制系统中,反作用轮得到了广泛应用。但是当反作用轮的转速过零时,摩擦力矩会对卫星的姿态产生较大影响。本文采用基于特征模型的黄金分割自适应控制方法,建立了包括反作用轮在内的卫星系统的特征模型,并由此设计了控制律。仿真结果表明,该方法可以有效抑制反作用轮低速摩擦对卫星姿态的扰动,从而可以提高卫星姿态控制精度。