控制力矩陀螺磁轴承-框架动力学耦合特性仿真研究简

框架角速率精度决定着控制力矩陀螺输出的姿态控制力矩精度,前者的精度由框架伺服电机力矩精度和框架转动惯量决定.磁悬浮控制力矩陀螺框架转动和陀螺转子的微小扭摆运动间存在动力学耦合,其框架表现出比标称值大的等效转动惯量.在柔性结构框架动力学模型和磁轴承刚度-阻尼模型基础上,研究磁轴承-框架动力学特性,推导出框架等效转动惯量和磁轴承控制参数之间的关系式,表明调整磁轴承控制参数能增大框架等效转动惯量,提高框架角速率精度.根据闭环系统稳定性和轴承承载力,确定了磁轴承控制参数取值范围,并给出了框架等效转动惯量的调节范围.通过对某小型磁悬浮控制力矩陀螺框架角速率控制系统的Simulink仿真,证明了控制力矩精度可以提高5倍,验证了模型的准确性.     

大型单框架磁悬浮控制力矩陀螺研制关键技术研究

控制力矩陀螺属于航天器姿态控制与机动惯性执行机构,磁悬浮控制力矩陀螺具有输出力矩大、微振动、低噪声、长寿命等特点,是敏捷机动卫星、空间站、天空实验室等理想的惯性执行机构之一.在阐述磁悬浮控制力矩陀螺工作原理、结构特点的基础上,介绍了磁悬浮控制力矩陀螺的电磁设计原理、结构分布及控制系统设计过程.基于大型磁悬浮控制力矩陀螺的主要技术指标,详细分析了大型单框架磁悬浮控制力矩陀螺的三个关键技术和解决途径.包括大承载力永磁偏置磁轴承的设计、制造和控制技术;低功耗高速永磁无刷直流电机的设计、控制技术;低速高精度Halbach型框架电机设计、制造、装配和控制技术.为磁悬浮控制力矩陀螺的进一步工程化应用提供了有效的技术途径.     

基于自适应滤波器的磁悬浮控制力矩陀螺内转子振动抑制

磁悬浮控制力矩陀螺(Magnetically Suspended Control Moment Gyroscope,MSCMG)内转子存在的多源高频振动会影响自身稳定性,导致卫星姿态指向精度降低.针对其高频扰动及抑制问题,以所研制的小型立式单框架磁悬浮控制力矩陀螺为研究对象,建立动力学模型并分析了高速磁浮转子的振动特性...     

球面磁悬浮万向飞轮转子轮盘优化设计

为实现磁悬浮飞轮的磁路解耦,消除磁轴承相互干扰,提出一种球面磁悬浮万向飞轮转子方案,采用轴向和径向两个球面磁阻式磁轴承控制转子的3个平动自由度,结合洛伦兹力磁轴承实现了磁悬浮飞轮转子五自由度全主动控制、全通道磁路解耦,以精确控制飞轮转子万向偏转,为提升磁悬浮飞轮姿态控制力矩带宽和姿态敏感精度提供了方案支持。根据球面转子结构特性,以质量为优化目标,以一阶共振频率、最大等效应力、刚体位移、极转动惯量、惯量比、质心与形心距离为约束条件,利用多学科优化软件iSIGHT集成ANSYS有限元分析软件,选取序列二次规划算法,对球面转子轮盘进行优化设计。结果表明,在满足设计指标的同时,轮盘质量降低了2.98%,质心与形心的距离大幅降低了1个数量级,仅为12 μm,转子高速旋转时的刚体位移为13.65 μm,有效保证了球面转子在工作时的稳定性和可靠性。     

基于线性工作点的轴向混合磁轴承 优化设计与仿真分析

提出一种利用等效磁路与电磁仿真相结合的方法,实现了基于线性工作点的某磁悬浮CMG轴向混合磁轴承优化设计.通过建立等效磁路及有限元模型实现最佳线性工作点的永磁磁路优化设计.利用Ansoft仿真软件建立电磁参数化仿真模型,实现电磁参数剥离分析及电磁磁路的线性仿真优化设计.以混合磁轴承承载力及刚度线性工作点为约束条件,建立磁轴承动态仿真模型,实现轴向混合磁轴承线性工作区域的动态特性分析.采用该方法设计的磁轴承最大承载力为160N,位移刚度与电流刚度分别在为(-0.5±0.1)×106N/m,(115±3)N/A.与传统混合磁轴承设计相比,该方法设计简单,能够快速实现综合优化设计,在满足承载力前提下,提高了动态力学的线性空间与控制刚度的线性稳定度.     

双框架MSCMG框架伺服系统的动力学解耦及扰动补偿

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)框架伺服系统是一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统,针对耦合力矩对框架系统速率伺服性能的影响,以及框架系统动力学解耦之后存在残余耦合、卫星运动引起的牵连力矩和非线性摩擦的问题,提出了微分几何法与扩张状态观测器(ESO)相结合的高精度控制方法,在线性化解耦的基础上对残余耦合、牵连力矩及非线性摩擦进行观测补偿以提高框架伺服系统解耦及速率跟踪性能。仿真结果表明、由耦合力矩引起的内、外框架速率波动最大值分别从0.18(°)/s和0.12(°)/s减小到5×10^-3(°)/s和4×10^-3(°)/s,内、外框架正弦角速度跟踪误差分别从0.18(°)/s和0.19(°)/s减小到0.005(°)/s和0.004(°)/s。所提出的方法实现了框架伺服系统的动力学解耦以及非线性摩擦和牵连力矩的补偿,提高了框架系统的解耦性能和速率伺服精度。     

一种磁悬浮陀螺飞轮方案设计与关键技术分析

提出一种磁悬浮陀螺飞轮的设计方案,采用洛伦兹力磁轴承对陀螺飞轮转子进行五自由度支承以提供转动自由度,并利用洛伦兹力磁轴承磁力与电流的线性特性,间接测量陀螺仪的输入角速度.该装置作为姿态控制执行机构兼有敏感器功能,可同时进行三自由度姿态控制与两自由度姿态敏感.针对磁悬浮陀螺飞轮二自由度姿态敏感与三自由度姿态控制这两项关键...     

基于扩张状态观测器的DGMSCMG框架伺服系统振动抑制方法

针对带有谐波减速器的双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架系统存在较低频率谐振点的问题,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)振动抑制的控制方法。在谐波减速器的输入端和输出端分别设计三阶扩张状态观测器,通过电机及负载端的角位置信号不但能够估计电机和负载的角速率,而且可以比较准确地估计到扭转刚度的非线性变化及外部扰动力矩引起的综合扰动,通过反馈及前馈补偿对综合扰动进行抑制。设计的基于扩张状态观测器的控制器抑制了框架伺服系统的振动、提高了框架的速率输出精度。仿真及实验结果表明了该控制算法是有效的并具有较强的鲁棒性。     

控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常波动机理

在角接触球轴承动力学分析基础上,建立了公-自转耦合的控制力矩陀螺轴承组件非线性动力学微分方程组和摩擦力矩理论计算式,开展了轴承保持架结构、滚道加工精度和轴承预紧力等参数对控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩特性的影响研究,分析了某型号控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常波动的机理。分析结果表明：保持架外径表面与套圈引导挡边之间碰摩以及钢球与保持架兜孔间碰摩是引起该型号控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常变化的主要因素。合理的轴承原始径向游隙可有效消除轴承保持架外径表面与套圈引导挡边之间的碰摩现象,且避免控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩明显异常波动。     

视觉测试系统校准装置耦合补偿控制

本校准装置是用来校准用于测试火箭喷管三维运动的视觉系统,为其提供标准的静态和动态运动参数.基于动量矩定理和欧拉动力学方程,推导出了双轴摆动的非线性耦合动力学模型,分析了轴间转动惯量耦合、速度耦合及力矩耦合作用规律.通过SIMULINK仿真验证模型参考自适应系统有效地补偿了耦合力矩的扰动.提高了联动时内框轴的速率精度.     

磁悬浮反作用飞轮速率模式非线性协同控制方法

 为了改善磁悬浮反作用飞轮制动过程的动态性能和转速过零特性,提高飞轮的输出力矩精度,提出一种磁悬浮反作用飞轮速率模式非线性协同控制方法。首先建立包含电机和功率变换器的飞轮系统状态空间平均模型,然后基于飞轮系统的状态空间平均模型设计了加速和制动运行的协同控制律,并对控制律中的不确定扰动力矩项进行符号化处理,以提高控制系统抑制力矩扰动的动态响应速度。仿真和实验结果表明,该控制方法改善了转速过零特性,增强了飞轮对随机力矩扰动的鲁棒性,提高了制动控制的准确性,飞轮输出力矩精度达到6.2×10^-4N·m。     

三支承磁悬浮轴承转子系统性能的实验分析

在一般磁悬浮轴承转子系统的基础上增加辅助磁悬浮支承组件,构成磁轴承与辅助磁悬浮支承组合三点支承转子系统。通过试验模态分析和系统高速旋转实验研究了不同控制参数下,组合支承柔性转子系统的动态性能,并与二支承系统进行了比较。实验结果表明,辅助磁悬浮支承对系统性能有较大影响,提高了系统在各阶模态振动时的阻尼,使系统顺利越过二阶弯曲临界转速在16000rpm以上稳定运行。     

采用框架角受限控制力矩陀螺的航天器姿态机动控制

以框架角受限的金字塔构型控制力矩陀螺(CMG)为执行机构,研究了航天器欧拉姿态机动控制问题.考虑控制力矩及航天器角速度约束等因素,对已有的姿态机动控制律进行了改进,使其能实现绕欧拉轴的大角度姿态机动.同时考虑力矩陀螺框架角受限情况,通过适当加入空转指令对框架角进行重构,设计了复合控制形式的控制力矩陀螺操纵律,并通过过渡...     

基于PID控制的磁轴承转子动力学分析

磁轴承转子动力学特性是磁轴承与转子动力学综合作用的结果,其好坏不仅决定稳定悬浮能否实现,而且还直接影响其动态性能和转子的回转精度。对基于PID控制的主动径向磁轴承的刚度和阻尼特性进行了深入研究,在此基础上,针对五自由度的多电模拟发动机转子进行临界转速、稳定性分析,得到各阶临界转速及稳定与否的判定方法,并分析了轴承主导型临界转速和转子主导型临界转速的不同特性。研究结果能为多电发动机整机减振设计提供技术支持。     

双框架控制力矩陀螺群的建模与分析

 研究采用双框架控制力矩陀螺群在卫星高精度姿态控制中的建模问题。对于中心刚体带有多个双框架控制力矩陀螺,构造了该系统的拉格朗日函数。采用拟拉格朗日方程建立了卫星姿态动力学模型。在建模中,陀螺的内、外框架未进行无惯量的假设,使得双框架运动带来的动力学特性得到了准确的反映;设计了适宜的标记,使得方程形式简洁并且统一。该模型为高精度的数学仿真和分析提供了基础。基于系统的拉格朗日函数,应用拉格朗日方程,分别建立了沿内、外框架轴和转子轴的轴向动力学方程,为执行机构伺服系统的动力学特性分析和控制器设计提供模型的依据。     

带阻尼器磁悬浮轴承转子系统性能的实验分析

在一般磁悬浮轴承转子系统的基础上增加磁悬浮阻尼器,构成磁轴承与磁悬浮阻尼器组合支承转子系统。通过试验模态分析和系统高速旋转实验研究了不同控制参数下组合支承柔性转子系统的动态性能,并与一般磁悬浮系统进行了比较。实验结果表明,磁悬浮阻尼器对系统性能有较大影响,提高了系统在弯曲模态振动时的阻尼,使系统顺利越过2阶弯曲临界转速在16000r/min以上稳定运行。      

Model Development and Adaptive Imbalance Vibration Control of Magnetic Suspended System

对星载磁悬浮单框架控制力矩陀螺,建立其转子的平动与转动的动力学方程。所建模型反映了转子的动、静不平衡特性,以及转子运动与框架、星体运动的耦合关系。模型是主动磁悬浮控制与动框架效应分析的基础。对动、静不平衡量未知的转子,设计了自适应对中控制器。在分散PD、比例交叉反馈控制器与高低通滤波器的基础上,通过动、静不平衡量的辨识与补偿控制,使转子绕其惯量主轴旋转,衰减角动量交换执行机构高速转子因不平衡而对基座产生的干扰力,消除星上主要颤振源,达到降低卫星姿态抖动的目的。     

陀螺飞轮动力学特性建模分析

本文建立了陀螺飞轮的多体动力学模型,用于精确描述其动力学现象.基于简化的多体动力学方程,建立了陀螺飞轮转子两维摆角对力矩器及壳体角速度的传递函数.以此为基础设计了陀螺飞轮转子两维摆角伺服控制系统.仿真结果表明:该控制系统在时变参数条件下能够实现高速转子两维摆角解耦及稳定控制,对实现陀螺飞轮闭环控制具有重要意义.     

基于ESO的DGVSCMG双框架伺服系统不匹配扰动抑制

针对双框架变速率控制力矩陀螺（DGVSCMG）两种工作模式下内、外框架系统存在的不匹配干扰抑制问题,提出一种基于扩张状态观测器与状态反馈的扰动抑制方法。在对飞轮工作模式和陀螺工作模式下内、外框架系统的干扰进行建模和分析的基础上,针对其不匹配干扰设计了扩张状态观测器,通过坐标变换减小框架系统扰动对不匹配通道的影响,并结合状态反馈控制设计了复合控制器,同时对全局系统稳定性进行了分析。对框架系统进行的仿真结果验证了所提复合控制方法的有效性。实验结果表明,所提出的控制方法能有效减小耦合力矩对内外框架角速率带来的影响,在飞轮模式下使得内外框架的角速率跳动量分别降低了85%和78%,且在陀螺模式下使外框架角速率跳动量降低了75%。     

陀螺加速度计交叉二次项的线振动台测试方法

为了提高陀螺加速度计的标定精度,有必要对交叉二次项进行精确的标定。提出了一种陀螺加速度计交叉二次项在精密线振动台上的测试方法,通过分析陀螺加速度计的测试原理建立了包含交叉二次项的误差模型。利用分度头将陀螺加速度计翻滚到不同的位置,测量陀螺加速度计进动整周期的相关时间参数和输出数据。通过计算加速度计模型输出与平均角速率积分之间的关系,准确辨识出陀螺加速度计误差模型中的各误差项系数。该方法可以有效抑制陀螺加速度计的输出误差,提高标定的精度。最后通过仿真分析,验证了该方法可以准确辨识出陀螺加速度计的二次项、交叉二次项等高阶误差项系数,辨识精度达到了10~(-7),进一步提高了陀螺加速度计在线振动台上的标定精度。