直线电机定位平台的摩擦建模与补偿

介绍了一种由双边直线电机驱动的H型精密定位平台,为了减小运动平台的速度跟随误差和定位误差,研究了该精密定位系统的摩擦建模和补偿问题.由于工作台的滑块在导轨的不同位置表现出不同的摩擦特性,为改善补偿效果,提出了一种基于经典Stribeck摩擦力模型和工作台运动副位置参数的摩擦建模新方法,通过实验和回归的方法辨识出了工作台双边导轨的改进型Stribeck摩擦模型.基于建立的摩擦模型,采用前馈技术进行摩擦力补偿控制.实验结果表明,基于模型的摩擦补偿提高了系统的控制性能;改进型Stribeck摩擦模型比传统Stribeck摩擦模型有更好的补偿效果,适合具有大行程工作台的摩擦建模与补偿.      

高精度航天轴承刚度测量装置

介绍一种高精度航天轴承刚度测量装置,内容包含轴承刚度测量的原理、刚度测量装置的设计、应用效果等三部分.航天器中的精密旋转部件,尤其是某些高速旋转部件例如陀螺仪转子和角动量飞轮以及某些光学部件例如红外地平仪都采用了精密角接触滚珠轴承作为旋转支承.为了使这类旋转支承获得高旋转精度、长寿命和高可靠的特质,就必须对轴承加一个精确的预载力.本文介绍的轴承刚度测量装置就是为此而研制的.该装置已在航天器旋转部件的研制中发挥了重要作用.装置允许加力范围0-100kg,测力精度1 N;变形测量范围100μm,测量精度0.1μm.     

大行程Hexapod平台及其隔振实验

为提高车载、机载光学设备在低频大振幅扰动环境中的观测精度,研制了具有6自由度振动隔离能力的大行程主动隔振平台.平台主动元件采用直线电机,并针对隔振任务设计了无间隙万向节结构.隔振平台采用6-UPS并联机构Hexapod构型,具有30 kg承载能力,上平面可进行±30 mm平动和±8°转动.Hexapod平台控制方法采用PID(Proportion-Integral-Derivative)定位控制和X滤波自适应逆振动控制结合的方法.对Hexapod平台进行3～20 Hz垂直方向正弦振动隔离实验结果显示,平台对基座振动的振幅隔离幅度高于90%,对5～20 Hz频段随机振动隔离实验结果显示,隔振前后上平面振幅峰峰值下降78%.     

航天运载器磁悬浮助推发射关键技术

以航天运输为背景,研究了磁悬浮助推发射的磁悬浮、直线电机、空气动力影响和运载器分离发射等关键技术问题.通过磁悬浮系统比较,确定高温超导体EDS(Electrodynamic Suspension)系统是适合的磁悬浮技术方案,在单元静、动态实验测试基础上,研究其基本静态悬浮导向性能和刚度、阻尼特性,并建立缩比研究试验平台以评估磁悬浮系统的综合性能.通过分析2种直线电机类型及优缺点,确定双边感应直线电机是适合磁悬浮发射系统的一种直线电机加速方式,并确定脉冲磁流体发电的能量供给方案.通过磁悬浮发射空气动力影响分析,优化设计磁悬浮发射装置气动外形和气动布局,得出其基本气动特性,并提出利于实现系统俯仰力矩平衡的气动翼控制方案.研究了运载器同时滑离导轨式定向器分离发射方案,并通过动静法计算分析得出运载器从定向器滑轨上成功分离所需具备的基本动力学参数.      

静压气浮轴承工程设计方法研究

静压气浮轴承是惯性器件测试平台回转支撑轴系的关键部件，其承载能力和回转精度对惯性器件测试的准确性有着重要的影响，目前，静压气浮轴承设计、计算过程复杂，为提高设计效率，简化设计方法，在满足静压气浮轴承性能的条件下，推导了静压气浮轴承工程计算公式，在此基础上，设计了一款双向止推空气轴承，确定了几何参数，计算了空气静压径向轴承、空气静压止推轴承的轴承承载力、刚度、耗气量及摩擦力矩，并与有限元仿真结果进行了对比分析，验证了该设计方法的有效性。     

静压气浮直驱转台热特性

以开发满足精密工程应用的静压气浮直驱转台为目标,研究静压气浮直驱转台结构的热稳定性.首先,分析了静压气浮直驱转台的发热-传热特性,建立了三维热特性有限元模型,计算了气浮直驱转台的温度场云图;用间接耦合的分析方法,将温度场作加载条件,进行转台热-结构耦合分析;然后,对比研究了两种直驱电机安置结构对转台热稳定性的影响,提出了静压气浮直驱转台的空气强制对流冷却方案;最后,完成了无框力矩电机后置式静压气浮直驱转台的温度场检测实验.实验结果表明,静压气浮直驱转台测试点的计算与实测温度的最大误差为1.93 ℃,稳态温度场分布计算精度较高;温度分布稳态时,气浮转台止推轴承气膜单侧间隙的变化量为0.55 μm,在空气轴承气膜设计允许的波动范围内,对轴承性能不产生明显的影响.电机后置式直驱静压气浮转台结构的热稳定性好,适合工业应用.     

永磁球形电机的神经网络自适应控制算法

介绍了具有三维位置检测功能的三自由度永磁球形电机工作原理及其运动控制方法.结合球电机结构特性,基于XYZ 欧拉角和拉格朗日方程建立了球电机运动学及动力学模型.为了解决动力学模型建模误差、摩擦力和外界干扰等对球电机工作性能的影响,设计了神经网络逼近模型,并将其应用于球电机的控制之中.仿真结果表明这种控制方法与传统方法相比可以有效提高球电机的抗干扰能力,在建模误差比较大的情况下仍可以保证球电机的运动精度,其结果可以为进一步的球电机精密运动控制理论研究和实验方案设计提供借鉴和参考.      

直驱式两指型在轨捕获装置控制器设计

针对非合作目标的在轨捕获，本文设计了一种直驱式两指型在轨捕获装置控制器.针对空间单粒子翻转事件影响，采用反熔丝FPGA作为控制器的核心处理单元，实现了多种传感器信息的采集，电机驱动，抱闸控制及与外部的总线通讯，并针对该捕获装置提出了速度控制与力矩控制的复合伺服控制策略，即在合拢和拖动阶段采用速度控制方式，在锁紧阶段采用力矩控制方式.在地面模拟实验平台进行了捕获实验，结果表明该控制器能够实现在捕获过程的运动控制并且保证锁紧力矩达到要求.     

一种适用于星载太阳翼的驱动控制器设计

为了实现星载太阳翼稳定、可靠、高精度的调速控制,本文设计一种基于FPGA的驱动控制器,通过RS-422异步通信串口接收指令,自主进行速度规划,并结合采集的零位信号进行位置闭环控制,以细分驱动的方式对两路太阳翼进行同步或独立控制.该驱动控制器使用VHDL语言设计,在Modelsim软件中进行仿真,并使用航天级FPGA通过LMD18200H桥驱动芯片连接至步进电机,对星载太阳翼进行调速、归零和停止控制.仿真和实验结果表明,该设计可以准确、稳定的控制步进电机,在64细分、100∶1减速比的条件下,低速段的速度相对误差在0. 006(°)/s之内,高速段的速度误差在±0. 13%之间.     

基于有限元3-RPS并联机床轻量化优化设计

为了减轻3-RPS并联机床质量,提高其刚度,分别对静平台与支链进行了结构改进.采用连接单元模拟机床中运动副,对并联机床静刚度进行有限元分析.通过分析结果获得静平台的刚度薄弱环节、支链的变形及其对机床变形的影响规律.在静平台刚度薄弱处增加抵抗变形的筋板,并通过减小其框架尺寸的方式优化静平台结构.采用悬臂梁模型分析支链的变形,以支链质量和变形乘积最小对支链进行尺寸优化.改进后的并联机床质量显著减轻,机床变形明显减小.优化结果能够提高机床动态响应性能以及机床精度.     

五轴电液仿真转台的双马达同步控制

对五轴电液仿真转台的双马达同步驱动问题提出一种低成本方案.设计的控制器包括主免疫控制器与同步补偿器.其中,以主马达动静态性能最佳为设计目标,利用免疫算法的模糊自适应性与鲁棒性,进行了位移、速度与压力三状态主免疫控制器设计,并使其同时输出给主、从马达伺服放大器.在此基础上,以两个马达负载压力状态差值最小为控制目标,仅提取两个马达负载压差传感器的差值,运用同步补偿器对从马达控制回路进行前馈补偿实现双马达同步驱动.与采用两个编码器或两个测速电机检测双马达同步误差的方法相比,该方法成本低且易于工程实现.仿真结果表明,即使转台系统参数发生较大变化,仍可以使两个液压马达保持较小的同步误差.      

液压飞行仿真转台外框FNN控制器设计及仿真

以液压转台外框为控制对象,根据模糊控制理论,设计出直接自适应模糊控制器(DAFC,Direct Adaptive Fuzzy Controller)和同步模糊控制器(SFC,Synchronizing Fuzzy Controller)来解决外框负载干扰和双液压马达同步驱动这2个影响转台控制性能的主要问题;其中直接自适应模糊控制器还与PID控制器一起组成并行控制系统来抑制系统静态误差和动态干扰.针对模糊控制器自学习能力较差等缺陷,在模糊控制的基础上,根据模糊神经网络(FNN,Fuzzy Neural Net)模型设计出多输入多输出(MIMO,Multi-Input Multi-Output)的FNN控制器.软件仿真结果表明,当转台外框负载发生变化或外框两马达转速相差较大时,使用FNN模型的智能控制系统仍具有较高的位置跟踪精度和动态性能.      

超磁致伸缩作动器的率相关建模与跟踪控制

利用Hammerstein模型对超磁致伸缩作动器(GMA, Giant Magnetostrictive Actuators)进行建模, 分别以改进的Prandtl-Ishlinskii(MPI, Modified Prandtl-Ishlinskii)模型和外因输入自回归模型(ARX, Autoregressive model with exogenous input)代表Hammerstein模型中的静态非线性部分和线性动态部分,并给出了模型的辨识方法.此模型能在1~100 Hz频率范围内较好地描述GMA的率相关迟滞非线性特性.提出了前馈逆补偿和比例-微分-积分(PID, Proportional-Integral-Derivative)反馈相结合的复合控制策略.实时跟踪幅值为16 μm的单一频率和复合频率正弦参考输入信号, 均方根误差小于1 μm, 相对误差小于10%, 证明了控制策略的有效性.     

基于转子不平衡响应的磁轴承磁力参数辨识

针对磁轴承磁力参数理论设计值不精确的问题,提出了一种基于不平衡响应的磁力参数实验辨识方法.利用转子的质量不平衡在高速转动时的离心力效应,通过检测磁轴承在零电流控制状态下的同频位移响应和零位移控制状态下的同频电流响应,解算磁轴承磁力参数.设计了基于通用陷波器原理的零位移控制器和零电流控制器,并通过设置T矩阵保证闭环系统稳定.实验结果表明:基于不平衡响应的磁力参数辨识方法,辨识结果与理论设计值差别在20%之内,证明了该方法的正确性和改进磁轴承力学参数的有效性.      

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。     

基于分布式伪卫星的双星定位系统定位方法研究

在分析基于伪卫星技术的双星定位系统研究存在的问题的基础上,提出了一种基于分布式伪卫星的双星定位系统改进定位策略。该策略充分利用双星定位系统的现有资源,将地面标校站改组为分布式伪卫星站,在不改变双星定位系统现有工作体制的基础上,通过融合双星定位系统所有信息进行单点定位。仿真计算结果表明,该改进策略能使低纬度地区定位精度提高近3倍,达到20~60m,且其无源定位方式能够有效解决用户容量限制和隐蔽性、抗毁性较差等问题。     

CMG中角接触球轴承在随机振动下的安全性分析

研究CMG中角接触球轴承在随机振动下的安全性。推导轴承在轴向力和径向力联合作用下的轴向刚度和径向刚度,建立轴承的等效线性弹簧模型,并利用ANSYS的谱分析迭代求取轴承在随机振动下的轴向力和径向力,将径向当量静载荷和轴向载荷分别与径向基本额度静载荷和极限轴向载荷比较,分析其安全性。以某种角接触球轴承为例,验证了其在给定输入功率谱密度下任意方向加载都安全。     

磁悬浮径向球面纯电磁磁轴承的设计

针对柱面磁轴承偏转时干扰力矩较大问题,本文提出一种径向球面纯电磁磁轴承设计方法。在本设计中,当磁轴承产生偏转或偏移时,电磁力会指向转子球心,从而降低定子磁极对转子产生的干扰力矩,提高磁轴承的控制精度。首先,阐述球面磁轴承的工作原理并建立数学模型,运用等效磁路理论方法和有限元数值方法分析其电流刚度和位移刚度,2种方法的计算结果基本吻合,表明球面磁轴承的有限元分析模型是合理的。接着,运用有限元方法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转时的干扰力矩,结果表明当转子达到最大偏转角0.3°时,球面磁轴承的干扰力矩是柱面磁轴承的干扰力矩的1.8%,表明球面磁轴承相对于柱面磁轴承在抗干扰力矩能力方面有很大的提高。最后,进一步分析球面磁轴承产生X方向或Z方向偏移时的干扰力矩,计算结果与偏转时干扰力矩的量级相当。综上所述,本文提出的径向球面纯电磁磁轴承有低干扰力矩的优点,可用于航天航空工程中惯性执行机构的高精度控制和角速率检测。