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。     

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。     

新型双圈无刷直流电机智能PID控制

针对惯性动量轮用单圈磁钢无刷直流电机气隙磁密低且干扰磁密大的缺陷,提出了一种新型双圈磁钢无刷直流电机。介绍了电机的磁路构型,采用有限元法对比分析了2种电机的有效气隙磁密和干扰气隙磁密,并利用数学方程推导分析了2种电机的驱动力矩和干扰力矩。分析结果表明,与传统电机相比,新型双圈无刷直流电机具有良好的结构特性。在建立电机的动态特性数学模型的基础上,设计了电机的智能PID控制系统,并制定了模糊控制规则。利用MATLAB/Simulink对该系统进行仿真,结果表明,与传统PID控制系统相比,智能PID控制系统可将双圈磁钢无刷直流电机的响应时间由0. 144s降至0. 07s,超调量由3. 2%降低至0. 26%,实现了新型双圈无刷直流电机的高精度转速控制。     

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.     

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。     

基于单神经元PID算法的微小飞轮高精度控制

为了实现微小卫星高精度稳定并满足微小卫星“快、好、省”的原则,针对微小飞轮动态响应慢,经典控制方法系统输出力矩动态性能、稳态精度达不到要求的问题,推导了基于永磁无刷直流电机的微小飞轮动力学模型.通过建立基于单神经元PID的力矩模式控制系统,对该算法进行分析,设计实现了以现场可编程门阵列为控制核心的数字控制方案.采用该方案在微小飞轮工程样机上进行PID与单神经元PID算法的对比实验,结果表明:单神经元PID算法简单易于实现,超调量小,提高了力矩输出精度；该方案实现简单,重量轻,功耗低,集成度高,精度高,满足微小卫星的技术特点.     

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MicroBlaze软核的反作用飞轮控制器设计

为提高卫星用反作用飞轮控制器的可靠性及实现其小型化,对基于MicroBlaze软核为控制核心的反作用飞轮控制器设计进行了研究。根据MicroBlaze软核开发环境,给出了反作用飞轮控制器结构和包括软硬件的现场可编程逻辑阵列(FPGA)内核配置与设计,介绍了片内电流环实现、直流无刷电极控制模块和模/数(A/D)转换等关键技术。试验结果表明:该反作用飞轮控制器体积明显减小,可靠性高,实用价值较大。     

基于开关式Hall传感器的飞轮低速控制

研究了基于TMS320LF2407A的飞轮用无刷直流电动机的数字化速度控制方案。为提高飞轮系统的可靠性,通常在电机定子上安装开关式Hall器件来检测转子的位置。但由于Hall所能提供的位置脉冲有限,在低速时,仅利用Hall提供的位置信息,很难得到精确的速度估计。为此,文中提出改善基于Hall的无刷直流电机速度估计性能的两种方法:一是增加Hall数量,二是标定Hall安装偏差。不同条件下的实验结果表明,本文所提的方法是有效的。     

磁悬浮姿控/储能飞轮能量转换控制系统设计与实验研究

针对磁悬浮姿控/储能飞轮(ACESFW)的能量释放问题,采用直流降压斩波原理,设计了一种能量转换控制器,提出对降压斩波器输出进行软件功率因数校正的转换控制方法,将高速ACESFW存储的动能,转变为稳定直流电能输出。仿真和地面试验结果表明,所设计的能量转换器转换效率高,电压输出稳定,高频纹波小,可以满足星上设备的供电要求。     

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。     

基于Matlab/Simulink的运载火箭6自由度运动仿真

以CZ系列运载火箭为对象,提出了一种基于MATLAB/Simulink的运载火箭6自由度运动仿真的方法。采用模块化的建模思想,建立决定箭体运动相关部分的数学模型,包括空气动力模型、发动机推力模型、六自由度运动学模型,然后对各个子模块分别采用Simulink建立单元仿真模型。通过对单元仿真模型的集成得到了火箭6自由度运动的仿真模型,基于该仿真模型进行了单元仿真。对比实测数据,证明提出的方法可行,模型建立正确。     

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。     

航天器机动时DGMSCMG磁悬浮转子干扰补偿控制

双框架磁悬浮控制力矩陀螺（DGMSCMG）具有寿命长、综合效益好等突出优势,但航天器机动时,航天器及DGMSCMG内、外框架系统的转动均导致磁悬浮高速转子产生一定的耦合运动,影响磁悬浮转子系统的稳定性,同时使输出力矩精度下降,从而严重影响航天器姿态控制的精度。本文建立了基于DGMSCMG的航天器动力学模型,分析航天器、外框架、内框架、磁悬浮转子四者之间的动力学耦合关系。针对磁悬浮转子的非线性耦合干扰,提出一种基于复合控制的补偿方法,通过磁轴承产生相应的电磁力,对陀螺耦合力矩和惯性耦合力矩进行补偿控制。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,也有效提高了磁悬浮转子系统的稳定性。