飞轮扰振特性及振动控制方法

航天器高精度稳定平台要求飞轮在工作转速范围内的干扰力尽可能低,因此需要对飞轮本身固有的扰振力进行有效抑制,一般对机械飞轮采用被动振动隔离方法,而对磁悬浮飞轮采用主动振动控制方法.分别介绍机械飞轮和磁悬浮飞轮的微振动特性,分析其扰振产生的原因,阐述振动隔离以及振动控制原理,并通过测试系统对现阶段振动抑制效果进行了说明.     

频谱混叠对光纤陀螺振动特性测试的影响

振动过程中的频谱混叠会使光纤陀螺中采样后信号相对于原信号产生失真现象,从而影响测试结果.为了验证频谱混叠带来的影响,并进一步抑制频谱混叠现象的发生,设计实现了一套用于获取光纤陀螺原始输出的闭环数据采集系统（速率可达1 MHz×16 bit）,分析了振动测试过程中光纤陀螺闭环数据的特征,发现目前光纤陀螺中常用滤波器无法有效滤除闭环数据中振动成分,因此可能会由于采样频率设置不当引起频谱混叠;通过matlab仿真和陀螺振动实验对频谱混叠造成的影响进行了验证;针对频谱混叠现象提出了抑制措施.实验结果表明对于采用类似数据采集过程的光纤陀螺,改进后的设计可以有效避免频谱混叠现象的发生.      

挠性支承对飞轮隔振系统性能的影响分析

飞轮的高速转子在运转过程中会激发微幅多频振动,对航天器的高精度姿态稳定控制产生不利影响.本文基于飞轮隔振系统结构,建立其动力学模型,并通过实验验证该被动隔振装置的固有模态.对增加挠性支承的飞轮隔振系统的数学模型,通过仿真分析隔振装置在挠性支承条件下对飞轮扰动的抑制效果,实验测试了不同挠性支承条件对飞轮隔振系统微振动特性的影响.结果表明,隔振装置在悬臂挠性支承条件下依然具有优异的隔振性能,挠性支承刚度的适当减弱有利于飞轮隔振系统抑制扰动;挠性支承刚度会降低飞轮隔振系统的二阶结构固有振动频率,但基本不影响其涡动特性.     

磁悬浮飞轮微振动特性及其主动振动控制方法研究

为了进一步减小磁悬浮飞轮的振动力和力矩,建立并分析了一种特殊结构的磁悬浮飞轮的微振动模型,并利用微振动测量平台、数据采集分析硬件和软件,通过试验测量了磁悬浮飞轮6个自由度的振动力和力矩.分析其时域特性和频域特性,其振动特性图(瀑布图)显示了径向两个平动方向X和Y的振动力主要是同频分量、倍频分量以及模态量,其中同频分量较为明显.利用开闭环自适应陷波,分别对X、Y两个方向的振动力进行主动振动控制,取得了较好的控制效果,使得两个方向的振动力的同频量显著下降.     

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.     

卫星姿控用无铁心永磁无刷飞轮电机综述

取消了定子铁心的外转子永磁无刷直流飞轮电机,以其高效性、轻量化、转矩密度大、寿命长和无污染等优点被广泛应用于微小卫星姿态控制系统。依据磁场的形成原理对定子无铁心永磁无刷直流飞轮电机进行了分类,主要包括径向磁场型和轴向磁场型。阐述了不同结构拓扑下定子无铁心永磁无刷直流电机的特征和关键技术,包括定子绕组、转子和永磁体、磁悬浮轴承技术、损耗与振动等。报告了定子无铁心永磁无刷直流飞轮电机的研究进展,总结了定子无铁心永磁无刷直流飞轮电机的效率、转矩等特性,讨论了该类无铁心永磁无刷直流飞轮电机的研究方向和发展趋势。     

飞轮和控制力矩陀螺高速转子的涡动特性研究

执行机构的高速转子在旋转过程中所造成的高频抖动,将对卫星的姿态控制精度和稳定度造成一定的影响。通过建立飞轮和控制力矩陀螺高速转子的动力学模型,分析转子的涡动特性,并通过振动测试试验验证了相关的理论分析结果。     

消除转接支架影响的飞轮振动数据处理方法

针对飞轮振动测量中转接支架引起的振动数据偏差问题,提出了一种消除转接支架影响的飞轮振动数据处理方法,并进行了实际应用,利用相干函数检验了转接支架频响函数的实际测试精度,实际应用表明该方法具有一定的可行性和有效性.     

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。     

一种空间轴承的自适应共振解调故障诊断方法

针对传统共振解调故障诊断方法中需依赖主观经验和反复调试选取合适带通滤波器参数的问题,以及包络信号频谱中随机成分对分辨故障特征频率的干扰问题,提出一种空间精密轴承的自适应共振解调故障诊断方法.一方面,根据振动信号功率谱计算重心频率和频率标准差,进而以此确定带通滤波器的中心频率和带宽,实现自适应带通滤波;另一方面,通过频谱平均方法弱化包络信号频谱中的随机成分,使得故障特征谱线清晰度加强.模拟故障信号和实测振动信号的诊断结果表明该方法算法简单,效率高,对保持架磨损故障诊断效果良好,验证了其可行性和有效性.     

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。     

基于振动参数聚类融合的空间轴承故障辨识方法研究#br#

轴承是飞轮和控制力矩陀螺(CMG)等空间惯性执行机构的核心部件,其健康状态直接影响整机性能和使用寿命.当前,由于轻载轴承在正常运转时也可能产生类似于微弱故障特征的现象,导致单一故障特征参数难以辨识正常和微弱故障状态.针对这一问题,本文提出了一种基于振动参数聚类融合的轴承微弱故障辨识方法.首先,通过轴承振动实验获得数据;然后,基于特征频率比值等方法对振动信号进行特征参数的提取;在此基础上,利用K Medoids算法对正常样本进行聚类,并根据3σ法则构建正常运转的安全边界;最后,计算不同轴承故障数据的超限概率,根据概率大小进行故障状态的识别.结果表明,该方法对轴承正常和微弱故障的辨识是可行和有效的.     

液体火箭发动机试验脉动压力数据分析方法研究

针对液体火箭发动机试验脉动压力数据的特点,对脉动压力数据和相关振动测点数据进行快速傅里叶变换（FFT）,频谱分析的结果能够有效判断发动机不稳定燃烧的声振类型。采用小波变换奇异点检测的方法,对启动段和关机段波动异常的脉动压力数据进行分析,结合相关振动测点的频谱信息能够在时域内准确定位奇异点位置,提取频域内的信息,有效判断推进剂燃烧情况和声振类型。分析结果表明上述方法在火箭发动机和组合件试验的脉动压力数据分析中具有重要的推广意义。     

导弹弹性振动在线辨识及自适应抑制

新一代导弹具有大空域宽速域等特点,飞行环境的剧烈变化及自身长细比结构特性,导致导弹的弹性振动模态参数变化范围大,传统的固定参数陷波滤波器难以适应这种剧烈的参数变化。本文提出了一种自适应弹性振动抑制算法,首先通过调制滑动傅里叶变换算法对速率陀螺的输出信号进行时频分析,实时辨识出各阶弹性振动信号的频率和幅值,并根据辨识结果设计了一种陷波滤波器参数在线整定方法,从而保证陷波滤波器能快速准确滤除弹性振动信号。仿真实验结果表明,该算法能够快速有效地辨识出弹性振动信号,并且对于频率突变和频率线性变化的非平稳信号也有较好的适应能力,能够满足实际工程需求。     

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.     

Active vibration suppression for flexible satellites using a novel component synthesis method

This paper is devoted to developing a closed-loop vibration suppression controller for a satellite with large flexible appendages based on component synthesis vibration suppression (CSVS) method. The dynamics model of a flexible satellite is firstly established by using the Newton–Euler methodology, and the dynamics model of the flywheel is also developed. A novel CSVS method is presented based on zero-vibration differentiator (ZVD), which can guarantee multi-order vibration suppression. Combined with the proposed CSVS method, traditional closed-loop controllers such as PD or sliding mode controllers can be applied to active vibration suppression. The stability of the proposed closed-loop CSVS controller is proved by the Lyapunov theory. Subsequently, the dynamic optimal control allocation algorithm is proposed for six flywheels, and a novel nonsingular fast terminal sliding mode controller is developed to obtain practical voltage control input for the flywheel drive control system. Finally, numerical simulations are carried out to validate the effectiveness of the proposed method.     

飞轮扰动原因与测量技术现状

飞轮是高精度航天器姿态控制的主要干扰源之一. 分析了引起飞轮产生扰动的主要因素, 详细介绍了美国航空航天局哥达德空间飞行中心、日本宇宙航空开发机构筑波空间中心、美国麻省理工学院空间系统实验室以及中国科研单位在研究中采用的飞轮扰动测量技术, 为进一步开展飞轮扰动测量技术研究奠定了基础.