航天用系列行波型超声波电机的研制

简述了超声波电机在航天领域的应用情况，并介绍了所研制的系列行波型超声波电机（直径分别为80mm、60mm、45mm和30mm）的结构形式、摩擦材料、粘结工艺、温度特性、机械特性和瞬态特性，提出了神经元自适应PID算法实现高精度的速度和位置控制。结果表明其具有良好的特性，适用于空间机器人、登月车、太阳能帆板、CCD等空间机构的驱动，并结合航天领域的应用要求，提出了下一步的研究重点。     

二自由度行波型超声波电机的研制

二自由度行波型超声波电机是一种新型多自由度超声波电机,其电机结构较复杂和实现相对困难,但其又具有独特的优点。从二自由度行波型超声波电机的驱动机理和基本结构出发,阐述此类电机所需要解决的一些基本问题,并就电机的结构实现、驱动球转子的最佳定子结构以及调谐问题进行了分析和介绍,具体提出了对心对中调节机构、外缘大倾角内缘线接触的行波定子、以及微调定子外缘倾角的调谐方法。研制样机的球转子直径为45mm,定子直径为30mm,实现的堵转力矩为119mNm,空转转速12r/min,且各方向运转平稳,输出性能比较一致,为多自由度行波型超声波电机的优化设计、性能提高和控制等奠定了一定基础。
     

真空环境下行波型超声波电机的特性

真空环境下由于缺少空气介质,靠摩擦驱动的超声波电机的特性会与常态 下发生较大的变化。采用行波型超声波电机常用的三种摩擦材料（环氧树脂、聚四氟乙 烯烧结和生聚四氟乙烯填充为基的摩擦材料）对比分析了常态和真空环境下的超声波电机的 机械特性。发现除环氧胶外,其他摩擦材料制成的电机真空下的堵转力矩都有所增大,而空 载转速全部降低。为了分析变化产生的原因,实验比较了真空环境下三种摩擦材料在常规、 驻波和行波状态下的动摩擦系数,实验表明除环氧胶外其它摩擦材料的摩擦系数比常态下都 略有增大,且相应电机的堵转力矩也都增大。其次实验研究了行波型超声波电机的瞬态特性 ,当真空度增加到10 -2 Pa后,电机的起动时间和起动电压都有明显的增加,即电 机起动和运行的阻力逐步增大,导致电机空载转速的降低。最后测试了声悬浮力大小,其数 值不超过预紧力的1％,不是真空环境下特性变化的主因。导致电机真空环境下堵转力 矩和空载转速发生变化的主要原因在于摩擦材料动态摩擦系数和起动与运行阻力的变化。     

空间用二自由度球形行波型超声波电机

介绍了一种超声振动驱动的二自由度行波型超声波球电机的结构和机理,给出了其研制过程中若干关键问题的解决方案,阐述了实现其运动位姿控制采用的结构及控制方式,最后探讨了此类电机在空间机构的若干应用及所需解决的一些问题。研制样机的球转子直径为45mm,定子直径为30mm,实现的堵转力矩为120 mNm,空转转速12 r／min,且各方向运转平稳,输出性能比较一致。该电机可用于各类空间机构。
     

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。     

卫星飞轮用稀土永磁电机的方波-正弦波复合驱动

介绍了卫星飞轮用稀土永磁电机的正弦波和方波两种驱动的工作原理及其控制特点。在此基础上，建立了方渡／正弦波复合驱动模型，并以滑模变结构控制(VSS)技术实现高速段的方渡驱动、低速段的正弦波驱动切换。仿真和实物试验结果表明，复合驱动稀土永磁电机的变结构控制切换平稳，设计可行。     

液氧/煤油发动机用步进电机力矩加载系统设计

介绍了液氧/煤油发动机用步进电机力矩加载系统的设计,描述了以磁粉制动器为加载核心的电机力矩加载系统的结构和硬件、软件设计方案,重点描述了力矩加载系统的模糊PI控制算法,将PI控制参数进行了模糊化和解模糊处理,制定了模糊推理规则,实现了力矩加载系统PI控制参数的动态调整,提高了步进电机力矩加载系统的加载精度。实际应用证明:研发的电机力矩加载系统实现了对液氧/煤油发动机用电机的模拟加载和电机参数的测量,满足了电机的测试要求。     

空间相机定标机构退出装置设计

针对星载空间相机定标机构卡滞在光路里会引起相机成像功能的损失问题,设计了一种退出装置,采用记忆合金驱动器带动离合器分离齿轮和负载轴,排除电机和控制电路的故障;退出驱动源选用卷簧,独立于负载轴支撑,借助记忆合金致动器触发卷簧动作。经ADAMS软件运动仿真和退出试验,验证了该退出装置无运动干涉,能够实现退出功能。结果表明:退出装置的驱动力矩达到电机传递给负载轴力矩的2.3倍,可以解决定标机构的电机、控制电路失效以及摩擦力矩上升至超过电机驱动能力引起的卡滞问题,并且质量较冗余设计节省32%。     

采用超声波电机的空间飞网自适应收口机构设计

介绍了一种采用超声波电机作为驱动源的空间飞网自适应收口机构（质量块）的设计及实现方法。通过分析捕获过程中质量块运动情况,研究超声波电机电流与负载的关系,确定以加速度信号和电流信号作为电机启动和停止的触发信号,在此基础上设计并实现了质量块的驱动控制系统。通过在电机输出轴与卷筒间加入差动轮系构成双卷筒机构,力学分析证实了该机构在负载不均衡情况下的自适应性。分析证明该机构使飞网的捕获操作对捕获平台的精度要求降低,有容错能力。同时使收口机构在部分质量块故障时也能完成捕获任务。     

液氧煤油发动机步进电机测控仪设计与应用

针对液氧煤油发动机在地面热试车过程中对工况变化和极限工况条件下工作性能的考核需求,提出采用集成一体化隔离技术的电机测控仪对流量调节器和燃料节流阀步进电机实施控制,并完成从电机检测、调节组件试验、发动机装配、热试车到交付出厂的测量和控制工作。研究过程采用定时器变频中断电机变速控制、PWM斩波细分驱动、多级中断嵌套和远距离测量等关键技术,解决了步进电机长距离、大驱动力矩下快速启停平稳控制要求,以及试车双路电机同时基下独立调节和角度同步测量,实现液氧煤油发动机试车过程推力和混合比稳定调节。400余次热试车及各项试验验证,电机控制频率偏差小于±2 Hz,角度控制精度小于±0.25°。     

基于智能差分算法的摩擦力补偿方法研究

针对光电平台低速转动时，受摩擦力影响较大，使得速度跟随曲线出现“死区”现象，导致跟踪性能明显下降这一问题，提出了一种基于智能差分进化算法和Lurge摩擦模型的摩擦力补偿控制方法。通过采集记录光电转台正、反向匀速运动时的摩擦力大小，建立转台不同速度和摩擦力之间的对应关系。通过最小二乘法对摩擦模型静态参数进行分段拟合，采用智能差分进化算法辨识摩擦模型动态参数，并基于反馈的速度信息和获得的摩擦模型等效为摩擦补偿力矩输入到电流环控制输入端，实现平台平稳低速运行。实验结果表明：摩擦力补偿后速度响应误差由补偿前的±0.1°/s减小到±0.04 °/s，提出方法效果显著。     

航天高强不锈钢LMD成形缺陷分析及控制

为明晰航天高强不锈钢激光熔化沉积成形过程基础科学问题,推动其在航天液体火箭发动机领域的应用进程,针对航天高强不锈钢LMD成形过程中常见表面焊瘤、气孔、熔合不良等缺陷的形貌特征及产生机理进行深入分析,并提出对应的控制措施:通过优化边框扫描速度促进熔覆道的流动变形,极大减少了成形件侧表面及倾斜面的焊瘤缺陷; 使用PREP方...     

航天可靠性工程技术体系及关键技术研究

航天装备具有高性能、高价值、小批量、组成复杂、高速飞行、环境严酷、多次分离等显著特点,要实现高可靠具有很大难度。总结了航天可靠性工程的3个基本问题,在此基础上研究提出了中国航天可靠性工程技术体系框架,并对体系框架中的各种可靠性工程技术及其在航天工程实践中的最早应用情况进行了简介。最后,面向未来一段时期航天装备体系建设的需求,初步提出了航天可靠性工程关键技术,供后续研究工作参考。     

高超声速乘波体飞行器机身/发动机一体化关键技术研究

飞行器在高空中作长时间巡航飞行时,对升阻比提出了极高要求,而高超声速乘波飞行器因其具有高升阻比、均匀的下表面流场以及高度一体化性能得到研究者重视,成为未来空间飞行器新的研究热点.简要介绍了高超声速秉波体飞行器机身/发动机一体化国内外研究进展,着重阐述了其关键技术及其研究,主要包括前体/进气道一体化技术、燃烧室构型优化技术和尾喷管/后体一体化技术,并对未来高超声速秉波体飞行器构型的进一步发展提出了设想--采用流线追踪思想,以Busemann进气道和圆形或椭圆形燃烧室作为其推进系统的两大重要组成部分,同时其机身具有膨胀上表面.     

基于TMS320C6701的程序冗余加载设计方法

为满足航天产品高可靠性、高安全性的要求,用户对软件存储和加载方式也提出了更多的需求,如程序三区冗余备份、在轨重构等。TMS320C6701是一款高精度浮点数字信号处理芯片,其运算速度快、实时性高,近年来广泛应用于电机控制、轨道运算等宇航软件产品中。TMS320C6701内部程序区和数据区独立,设计师需要编写二次引导程序实现代码和数据的先后加载。根据TMS320C6701的加载特性,将二次引导与重构功能结合,设计了一个引导系统。引导系统对应用软件进行三取二判决,将判决结果加载至RAM中运行,并通过总线实现应用软件的更新。实验证明,该系统可以通过总线通信对应用软件重构升级,大大提高了软件的可靠性和可维护性,且缩短了单机研制周期和维护成本。     

基于矩阵变换器供电的异步电机直接转矩控制系统的仿真研究

本文提出了一种基于矩阵变换器供电采用空间矢量调制的直接转矩控制方法。通过将直接转矩控制策略和空间矢量调制的矩阵变换器结合起来对感应电机进行控制，发挥出二者的优点。在MATLAB软件环境下进行了仿真验证。矩阵变换器和电机的转矩和速度变化响应结果显示了该控制策略的有效性。     

面向高速集成VPX架构的航天产品工艺技术验证及应用

针对高速集成VPX架构的航天产品研制需求,开展了VPX压接连接器的选用必要性分析、特点介绍、鱼眼端子结构设计和合理的PCB工艺方案设计,完成了高速集成VPX架构的工艺控制流程,开展了PCB孔径尺寸验证、连接器接触阻抗验证、连接器试验样品补充50次插拔试验、结构样机的试验验证和在轨应用验证等工作,结果表明：采用文章所述的PCB工艺方案和VPX架构的工艺控制流程,成功研制并在轨应用了某星载高速集成VPX架构数传智能处理器,充分验证了VPX压接连接器可以满足星载高可靠要求。未来,采用更高速率的VPX压接连接器,通过合理的航天产品工艺方案,研制更高速度和更高集成度的航天产品,进一步提升产品的功能性能。     

仿真技术在球阀特性研究中的应用

航天领域火箭发动机上的球阀性能要求高、工作条件恶劣,对球阀流场分布特性、流量系数特性和力矩特性的研究一直是关注的焦点,要得到较为精确的计算结果又节省大量试验经费,对球阀流场进行仿真研究是有效途径.以液体火箭发动机用球阀为例,建立了三维稳态仿真数学模型并进行仿真计算,然后与试验结果进行比较,验证了计算模型的正确性.