卫星反作用飞轮总线化驱动及可重构性

通过研究卫星反作用飞轮的总线化伺服驱动及其系统重构问题,构建了可靠的无刷直流电动机功率驱动主回路,研制了可以采样三相绕组电流的磁感应式传感器及泵生电压自动抑制电路。对普通的M/T测速算法进行了改进,并仅以两组相互备份的六个位置传感器完成了数字转速测量和换相控制。规划了现场总线协议,设计了总线式的全数字化飞轮力矩/速度双模式伺服驱动器的知识产权内核及系统级专用芯片,构造了冗余型可重构控制器,提出了多种重构方案以及相应的实现算法。在现场可编程门阵列工艺中最终实现了飞轮的片上伺服系统;测试结果表明,该系统在整个四象限区域内均具有良好的动态和静态运行性能。     

多余度无刷直流电动机的自抗扰控制

为了克服电机内部参数变化、齿槽效应、负载扰动以及余度降级等不确定因素对多余度无刷直流电动机位置伺服系统性能的影响,实现高性能的位置伺服控制,提出了基于自抗扰控制器的多余度无刷直流电动机位置伺服系统.该系统通过跟踪微分器为给定位置信号安排了一个过渡过程,解决了系统的快速性与超调之间的矛盾;通过扩张状态观测器将影响输出的系统内外"总扰动"扩展成新的状态变量,实时估计出来并进行动态补偿,提高了系统的抗干扰能力;通过非线性组合实现了"小误差大增益、大误差小增益"的工程经验,提高了控制精度.仿真结果表明:该系统具有良好的动、静态性能,满足了系统的性能要求,且对电机内部参数变化、余度降级、负载扰动等具有很强的鲁棒性.     

基于FFT和专家系统的BLDCM系统故障检测与识别

针对具有双通道结构的无刷直流电动机(BLDCM, Brushless DC Motor)容错系统的高可靠性要求和大范围调速特点,在不增加额外设备的条件下,通过分析两个通道中功率电路直流母线电流波形的特点,提出一种采用归一化快速傅里叶变换(FFT, Fast Fourier Transform)方法提取频率特征,再结合基于规则的专家系统进行故障检测与识别的方法,并通过实际电动机系统的试验验证了方法的正确性.试验结果表明:规一化FFT方法可以消除不同转速和不同负载对判断结果的影响;专家系统中阈值的选取可以有效避免实际应用中出现的噪声等因素的影响.算法复杂度低,可靠性高,易于应用,具有很强的实际操作性.     

基于FPGA的柔性机械臂多路无刷直流电机控制系统设计

针对柔性机械臂一般为超冗余机械臂，需要多个无刷直流电机驱动各个关节的运动，传统的数字信号处理（DSP）芯片、单片机用户接口有限，无法同时驱动十几个无刷直流电机运动，并且采用传统的PID算法控制精度较低，不适应于高精度柔性负载的控制。本文提出采用现场可编程逻辑门阵列（FPGA）芯片实现柔性机械臂多路无刷直流电机的控制，设计出改进型神经元自适应PID控制器，有效提高各关节电机的位置跟踪精度和抗柔性负载扰动能力，同时完成了规划位置的直线插补、多路电机母线电流采集、多路电机旋变位置信号采集处理。并在柔性机械臂原理样机中进行了验证，设计的驱动控制器能使得每个关节电机定位精度优于0.2°，各关节的无刷直流电机同步性、协调性良好。     

基于小波变换和聚类的BLDCM故障检测与识别

为了满足航空用机电作动器(EMA,Electro-Mechanical Actuator)高可靠性和大范围调速的要求,充分利用具有双通道容错结构的无刷直流电动机(BLDCM,Brushless DC Motor)系统特殊的结构和换相特点,通过分析两个通道中功率电路直流母线电流波形的突变特征,提出一种采用小波变换(WT,Wavelet Transform)与层次聚类算法(HCA,Hierarchical Clustering Algorithm)相结合的故障检测与诊断方法.并通过实际电机系统试验验证了方法的可行性与正确性.试验结果表明,这种方法对电机断相故障、逆变器功率管断路故障具有明显的检测与识别效果,而且不受转速、负载和噪声的影响.信号特征提取算法简单,故障识别方法可靠性高,无需额外设备,易于应用,具有很强的实际操作性.     

基于变系数PID的无刷直流电动机双闭环系统

针对应用于直接驱动阀的电气双余度无刷直流力矩电动机控制系统,提出在位置环采用变系数PID(Proportion Integration Differentiation)控制算法,根据位置偏差改变调节参数,逐步加强比例和积分作用以快速消除系统稳态误差而又不引起系统抖动;为了保证系统的稳定性,对位置偏差的积分项进行了限制.实验结果表明:位置环采用该变系数PID控制算法的双闭环系统能够有效地保证系统的稳定性能和响应精度.同幅值的位置阶跃响应,位置环/电流环双闭环系统的上升时间比位置环/速度环双闭环系统的上升时间减小了32%;位置环/速度环双闭环系统具有优良的负载适应性能,鲁棒性强.     

飞行控制用无刷直流电动机容错运行方式

双重绕组无刷直流电动机构成的双通道机电作动系统(EMA,Electro-Mechanical Actuator),当一个通道故障时可以采用容错运行方式.分析了电动机在双绕组工作与单绕组工作时的机械特性、铜损耗与允许转矩.对样机的机械特性试验曲线分析可知,在相同的电压条件下,两种工作方式的机械特性有相同的理想空载转速,但容错工作时因负载产生的转速降将增大1倍.在功率损耗不变的条件下,容错工作时电动机的允许电流为额定值的1.4倍,允许转矩为额定值的0.7倍,通过样机的温升试验数据充分验证了这一点.探讨了双绕组运行时的电流均衡控制方法以及容错工作采取的措施,并用仿真曲线分析了容错工作方式下的动态性能.      

燃料电池无人机动力系统半实物仿真

针对燃料电池无人机（UAV）动力系统飞行测试困难的问题，为了提升动力系统设计与开发水平，以燃料电池、锂电池、DC/DC功率转换器、电子调速器和直流无刷电机组成的动力系统作为实物介入，无人机动力学、自动驾驶仪、螺旋桨、飞行环境等数学模型为软件部分，无人机的油门信号控制及飞行过程中电机的载荷等为模拟仿真部分，以信号发生器、测功机及扭矩加载装置为软硬件接口，设计并搭建了燃料电池无人机动力系统半实物（HIL）仿真平台。面向典型任务剖面，基于状态机管理策略，对燃料电池/锂电池电动无人机的动力系统进行了半实物仿真研究，分析了半实物仿真平台和管理策略的有效性和实用性。      

基于LED光源的运动式太阳模拟器控制系统

为了解决编码式太阳敏感器装星后现场的功能测试，研制了一种基于LED光源的运动式太阳模拟器，为该测试提供模拟的太阳光信号和太阳光矢量信号.基于太阳模拟器组成与工作原理，对光源辐亮度和矢量运动的控制系统进行研究.根据太阳光信号要求，通过光源选取与功率计算确定LED型号和个数，并采用压控恒流源驱动技术对光源辐亮度进行线性调节.根据太阳光矢量信号要求，通过负载扭矩与功率计算选取GUS-60型超声电机，采用16位绝对式编码器对运动角度进行测量，以数字信号处理器为主要器件对电机进行闭环反馈控制.测试结果表明，光源控制系统能够实现辐亮度在0～527.4W·m-2内线性可调，矢量运动装置在-15°～40°内的运动角度控制精度优于±0.01°，满足编码式太阳敏感器的测试要求.      

电液飞行转台的分数阶积分滑模非线性控制

电液飞行转台是飞控系统半实物仿真测试的关键设备,它是在实验室条件下复现飞行器运动姿态的高精尖试验设备,具有重大经济价值和国防战略意义.为提高该设备的动态跟踪精度,提出一种基于分数阶积分滑模的非线性鲁棒控制策略.在积分滑模控制器中引入分数阶算子,能更有效地提升系统瞬态响应,并能提供更多的控制自由度.同时基于 Lyapunov 分析方法证明了该控制器在存在参数不确定、强外干扰力矩和未知非线性摩擦特性等情况下仍能保证系统的全局渐近稳定性.以某型电液飞行转台外框阀控马达为例,针对多种运动工况进行仿真分析,结果表明该方法能有效提高系统的瞬态性能和鲁棒能力.     

伺服加载控制器硬件在环仿真系统研究

为了测试和调试伺服加载控制器的工作性能,建立了控制器硬件在环仿真试验平台系统。该系统针对基于虚拟仪器技术设计的伺服加载控制器,用CompactRIO作为硬件仿真器,构成了参数可变的硬件仿真闭环系统。控制器运用PI控制算法进行载荷谱的加载;仿真器按照加载系统的数学模型来模拟实际加载系统的运行状态,完成了模型搭建、指令接收、动态仿真、仿真结果输出任务。最后,对系统的合理性进行了实验验证,结果表明该系统可以较好地模拟伺服加载系统的实际工作情况,可用于加载控制器性能的仿真验证。     

基于VMD-MPE的开关磁阻电机功率变换器故障诊断

故障诊断是提升开关磁阻电机(SRM)调速系统可靠性的重要技术。针对功率变换器故障信号非线性不稳定、有效信息易被噪声掩盖的特点, 提出了一种新的故障特征提取方法。对直流母线电流进行变分模态分解, 得到若干本征模态分量, 取多尺度有效模态分量排列熵平均值作为特征向量, 输入支持向量机分类器进行故障识别。为验证所提方法的可行性, 建立仿真模型, 与传统的小波分析等故障诊断方法进行对比；搭建了开关磁阻电机实验台架, 测试了开路、短路故障状态。仿真和实验结果表明:所提方法可减小噪声影响, 提高故障识别准确率。      

基于STM32和ET1100的无刷直流电机控制器设计

利用STM32的控制性能和丰富外设，采用模块化方法设计了一款基于STM32ZET6单片机和ET1100专用以太网芯片的、具有工业以太网功能的无刷直流电机控制器。在设计中,以STM32ZET6作为微处理器，采用了IR2136驱动芯片及ET1100工业以太网芯片，分别实现了对无刷直流电机的调速功能，以及对上位机的EtherCAT通信功能。针对传统设计中SPI串行接口未能充分发挥工业以太网的优越性能的问题，设计中利用STM32ZET6特有的FSMC机制实现了EtherCAT模块的并行接口设计，使系统的实时性能有了很大提升。该控制器设计成本低、集成度高、实时性强，特别适用于工业领域。     

电动负载模拟器多余力矩产生机理及抑制

介绍了直流力矩电机驱动的电动负载模拟器的机械结构和工作原理,建立了电动负载模拟器执行机构的数学模型并用方框图表示.分析了直流力矩电机的机械特性并指出其正常工作的范围.分析了电动负载模拟器在启动过程、正常运行和换向过程中多余力矩产生的机理,提出用基于结构不变性原理的前馈补偿方案来补偿多余力矩.仿真结果从理论上证明了前馈补偿方案可以很好地解决多余力矩带来的干扰,实验结果也证明了前馈补偿方案的有效性和可行性.      

石油赛伯数据采集仿真系统的实时性解决方案

为了保留石油工业赛伯(Cyber)数据采集系统的软硬件成果,在现代的高性能硬件平台上采用软件仿真的方法构造了一个仿真系统,以独立硬件设备模块为单位对实际系统进行建模,形成了以指令集仿真器为核心,通信总线仿真模块为桥梁,连接各个设备仿真模块的仿真系统.为了满足仿真系统的期限,从系统平均性能要求和最坏性能要求两个方面对实时性能需求进行了详细的分析,提取出影响系统实时性的性能参数,根据这些性能参数的要求提出了一个实时性解决方案,解决了仿真系统与实际的数据采集设备之间的实时通信问题,协同完成了数据采集任务,在此基础上给出了一个基于RTLinux(Real-Time Linux)实时操作系统的原型系统.      

GPS/GLONASS定位仿真器的设计与实现

GPS(Global Positioning System)、GLONASS(Global Navigation Satellite System)作为两种实时卫星定位导航系统,得到广泛应用.为满足离线试验研究的要求,设计开发了GPS/GLONASS卫星定位仿真器.该仿真器分析GPS和GLONASS星座的运动轨迹,并模拟卫星接收器的解算,以纯软件的方式实现卫星定位.仿真计算表明此仿真器定位精度与实际接收机相当,可以模拟真实的卫星定位,为仿真调试等研究工作带来便利.      

Integrated orbit and attitude hardware-in-the-loop simulations for autonomous satellite formation flying

Development and experiment of an integrated orbit and attitude hardware-in-the-loop (HIL) simulator for autonomous satellite formation flying are presented. The integrated simulator system consists of an orbit HIL simulator for orbit determination and control, and an attitude HIL simulator for attitude determination and control. The integrated simulator involves four processes (orbit determination, orbit control, attitude determination, and attitude control), which interact with each other in the same way as actual flight processes do. Orbit determination is conducted by a relative navigation algorithm using double-difference GPS measurements based on the extended Kalman filter (EKF). Orbit control is performed by a state-dependent Riccati equation (SDRE) technique that is utilized as a nonlinear controller for the formation control problem. Attitude is determined from an attitude heading reference system (AHRS) sensor, and a proportional-derivative (PD) feedback controller is used to control the attitude HIL simulator using three momentum wheel assemblies. Integrated orbit and attitude simulations are performed for a formation reconfiguration scenario. By performing the four processes adequately, the desired formation reconfiguration from a baseline of 500–1000 m was achieved with meter-level position error and millimeter-level relative position navigation. This HIL simulation demonstrates the performance of the integrated HIL simulator and the feasibility of the applied algorithms in a real-time environment. Furthermore, the integrated HIL simulator system developed in the current study can be used as a ground-based testing environment to reproduce possible actual satellite formation operations.