采用电磁分流阻尼的反作用飞轮隔振方法设计与分析

反作用飞轮是重要的卫星姿态控制执行机构,也是星上最主要的微振动源。针对反作用飞轮转速范围宽的工作特点,本文提出采用六脚隔振装置结合电磁分流阻尼技术的隔振方法。考虑陀螺效应的耦合作用,建立了反作用飞轮与隔振装置的一体化动力学模型。通过理论分析和数值仿真,研究了陀螺效应对系统的模态、固有频率以及隔振性能的影响,并分析了关键参数对系统隔振性能的影响。开展了隔振优化设计,对优化后的隔振性能进行分析,并对隔振装置中的单个隔振单元进行实验验证,验证了电磁分流阻尼和弹簧刚度对隔振性能的影响。

基于扰动观测的小型反作用飞轮高精度控制

反作用飞轮是卫星姿态控制系统的关键部件,其性能指标直接关系到光学遥感卫星的控制精度。为了实现高精度的反作用飞轮转速控制,提出了一种基于扰动观测器的非线性控制方法。首先,建立了基于无刷直流电机的反作用飞轮数学模型,分析了影响转速控制精度的因素,并构建了用于控制器设计的非线性模型。然后,结合扰动观测器和非线性控制理论设计了基于扰动观测的非线性控制器,并利用李雅普诺夫理论证明了控制方法的稳定性。最后,通过数值仿真证明飞轮转速可以平稳达到控制目标值,精度优于传统的PI控制方法,并在飞轮实体上验证了本文方法的有效性。

50Nms磁悬浮反作用飞轮转子优化设计方法的研究

介绍了一种额定工作转速为-5000rpm^5000rpm,额定角动量为50Nms的五自由度磁悬浮反作用飞轮。利用多学科设计优化软件iSIGHT及有限元分析软件ANSYS,通过序列二次规划法对飞轮转子进行了多学科设计优化研究:以转子质量为优化目标,以转子、静力学、共振频率、转子动力学、角动量、几何尺寸等多学科要求同时作为约束条件进行了优化设计。结果表明,通过多学科设计优化,在满足设计要求的同时,使转子重量达到了最小化(4.09kg),提高了设计效率和设计质量,在航天器姿态控制系统的设计中具有现实意义。

反作用飞轮驱动电机的电磁设计

为解决反作用飞轮用永磁无刷直流电机的电磁设计问题,提出了一种采用有限元法与磁路法相结合方式进行电机电磁设计的目标设计法。根据飞轮电机有效电磁气隙宽、径长比大的结构特点,推导了电枢尺寸与机械特性、有效电磁气隙、径长比等参数间的关系表达式,得到新的电枢尺寸计算公式;利用磁场逆问题求解策略结合等效气隙磁通密度方法,给出磁钢尺寸的计算模型;最后描述了整个电磁设计过程。与一台最高转速为6000r/min、角动量为5Nms的反作用飞轮驱动电机的对比验证表明,该方法最大设计误差为2.89%,精度较高。该方法不受传统方法取值思想的限制,目标明确,速度快,适用于大的有效电磁气隙,大径长比结构的飞轮电机的电磁设计。

反作用飞轮结构的动态优化设计

在综合考虑飞轮执行机构的动量容量、输出力矩、质量、体积、功耗、成本及复杂性等因素的基础上,基于优化设计软件ISIGHT及结构有限元分析软件ANSYS,对基于磁悬浮轴承技术的反作用飞轮的结构外形尺寸进行动态优化设计,在确保反作用飞轮结构在给定设计转速下能达到一定的角动量,同时满足结构强度、刚度、形态等方面的要求的前提下,使反作用飞轮的质量最小,优化结果令人满意。设计思路和方法可以用于系列反作用飞轮结构的设计和研制。

磁悬浮反作用飞轮密封罩结构的优化设计

研究了磁悬浮反作用飞轮密封罩结构的优化设计方法。基于有限元分析理论分别建立了两种外形设计方案的密封罩有限元模型,对密封罩壳体进行了静强度分析并利用特征值屈曲法分析其抗压稳定性,比较了两种设计方案的优缺点;对其中一种壳体的设计方案进行了变外形参数的结构优化设计,通过分析两个关键外形参数和壳体厚度对密封罩整体性能的影响,得出了最优的密封罩设计方案,最终得到壳体的设计质量为0.197 kg,稳定性系数达5.374。该优化设计方法提高了密封罩设计的可靠性和效率,对飞轮系统整体优化设计有重要意义。

小卫星用反作用飞轮系统设计

考虑小卫星用反作用飞轮系统小型化的要求,提出了飞轮电机体积最小时的电枢尺寸确定方法,并设计了一种定子无铁芯式反作用飞轮系统。为防止磁路饱和,将多学科优化设计方法应用于飞轮转子结构和电机磁场联合设计中,并采用外罚函数法及序列二次规划算法(SQP)组合优化策略对飞轮系统进行多目标优化设计。选取飞轮转子质量最小和电机气隙磁通密度最大为优化目标,以最大等效应力、一阶共振频率、极转动惯量、磁饱和等作为约束条件,将iSIGHT软件作为优化平台,集成有限元软件ANSYS实现了优化过程,最后依据优化结果制造出飞轮样机。优化结果表明,优化后飞轮转子质量由0.73kg减小到0.67kg,减小了8.22%,气隙磁通密度由0.376T增大到0.401T,增大了6.65%。设计的优化方法提高了飞轮设计的合理性,推动了飞轮系统的小型化研究。

磁悬浮反作用飞轮系统模态分析及试验研究

介绍了一种角动量为50Nms工作转速在±5000rpm的磁悬浮反作用飞轮系统,利用有限元分析软件ANSYS对其定、转子及系统进行了模态分析,利用COMBINE14单元模拟磁轴承使模型更加接近实际,最后通过模态测试试验测出了转子的一阶弹性固有模态,与理论计算结果相近,误差仅为0.66%,验证了理论模型的正确性。模态分析及测试的结果对磁悬浮反作用飞轮系统的振动特性研究,控制方案设计及总体优化设计有着重要意义。

基于iSIGHT的磁悬浮反作用飞轮优化设计

针对一种额定角动量为15Nms的磁悬浮反作用飞轮,分析了系统的控制模型,得知若飞轮转子质心位于上下径向磁轴承几何对称中心,可以减少控制参数的耦合,简化控制器设计。基于此分析结论,以优化设计软件iSIGHT为平台,对15Nms的磁悬浮反作用飞轮进行了多学科优化设计方法研究,改进了原有的优化设计方法,设计结果表明:在保证多约束条件下使转子质量达到最小,同时降低控制系统调试和检测的难度。此优化方法进一步提高了飞轮的设计和调试效率,有助于实现系统的高精度控制。

基于轴向磁通电动机的反作用飞轮系统设计

针对分布式小卫星系统对姿控单元小型化的要求,提出基于轴向磁通电动机的反作用飞轮系统设计方案。运用有限元法分析轴向磁通电动机的三维气隙磁场分布,建立基于印制电路板(Printed circuit board,PCB)绕组的反电动势参数计算模型。采用多学科优化设计方法,以反作用飞轮系统质量最小为目标,在同时满足飞轮系统结构强度、刚度和电动机气隙磁通密度要求的前提下,采用序列二次规划算法(Sequential quadratic programming,NLPQL)对飞轮转子主要结构尺寸进行优化,使反作用飞轮系统质量由0.899 kg减小到0.741 kg,减小了17.6%,结合优化结果制作出飞轮样机,并对样机进行空载试验。试验结果表明,样机反电动势实测值与理论计算值间的最大误差为9.7%,验证了设计方法的正确性和实用性,可有效地指导反作用飞轮小型化设计。

基于Modelica语言的反作用飞轮多领域建模与仿真

反作用飞轮是三轴稳定小卫星高精度姿态控制系统的首选执行机构。针对反作用飞轮多领域耦合特性及其高置信度数值仿真问题,探索了基于Modelica语言实现反作用飞轮多领域建模与仿真的可行性。在反作用飞轮控制领域、电气领域、力学领域等不同领域数学模型的基础上,采用Modelica搭建了相应的反作用飞轮多领域仿真模型,并在设定工况下对其动态特性进行了数值仿真分析,得到了飞轮系统的多领域耦合特性。该仿真模型实现了飞轮系统不同领域模型之间的无缝集成和数据交换,能够有效分析各领域间的耦合特性。

反作用飞轮力矩模式控制系统设计

反作用飞轮是卫星姿态控制系统的重要执行元件,提高飞轮系统的性能对卫星姿态控制系统具有重要意义。介绍了反作用飞轮力矩模式反馈补偿控制系统的设计。首先建立了反作用飞轮数学模型,并分析了摩擦力矩干扰和速率测量噪声的特性,在此基础上进行了反馈补偿控制的设计。理论分析证明,应用反馈补偿控制的飞轮系统能够精确复现力矩输出指令。运行结果表明,在复现力矩输出指令精度方面,应用反馈补偿控制的飞轮系统优于电磁力矩控制的飞轮系统。特别在克服过零力矩干扰上,应用反馈补偿控制的飞轮系统具有较高的性能。

高空气球吊篮方位控制的反作用飞轮系统

实现了用直流力矩电机在反作用飞轮控制方式下对气球吊篮的方位控制。设计了由PWM脉宽调制技术构建的工作在速率控制模式下的反作用飞轮控制系统,并对其硬件电路进行了具体实现。在实际运行中对系统有效性和实用性进行了验证。

基于反作用飞轮和磁力矩器的小卫星姿态联合控制算法

针对基于反作用飞轮和磁力矩器的姿态控制算法设计问题,在建立执行机构数学模型的基础上,分析了联合控制的必要性,给出了一种具有控制分配环节的反作用飞轮和磁力矩器联合控制方案,在此基础上分别推导了最大磁控力矩和能耗最优等控制力矩分配算法。最后进行了数学仿真。结果表明,该联合控制算法在不降低系统控制精度的前提下,显著降低了反作用飞轮的转速及系统功耗。有利于在方案设计时减轻反作用飞轮的重量,提高整星的功能密度比。本文算法设计简单,计算量较小,可以在轨实现。

反作用飞轮电机换相转矩脉动分析

为了提高反作用飞轮制动时的输出力矩精度,针对反作用飞轮电机运行时的拓扑结构,建立了飞轮电机换相时的数学模型,分析了电动运行状态下电流下降相通过开关管并联电容续流的换相过程以及电容值的大小对换相转矩脉动的影响,并首次分析了反作用飞轮电机能耗制动和反接制动时产生换相转矩脉动的物理过程,确定了制动时产生换相转矩脉动的主要影响因素和转矩脉动最小化条件,为研究减小换相转矩脉动的措施和提高反作用飞轮电机控制精度提供了理论依据。

高空气球吊篮方位控制系统的反作用飞轮控制模式

为了提高反作用飞轮控制方式的吊篮方位控制的灵敏度和控制精度,考虑飞轮摩擦力矩的情况下,对反作用飞轮控制方式的力矩模式和速率模式进行理论分析与实际应用比较,选取了高空气球吊篮方位控制的反作用飞轮控制的速率模式。

磁悬浮反作用飞轮无刷直流电机转矩脉动抑制策略

无磁链反馈直接转矩控制(DTC)因转矩响应速度快,为小电感磁悬浮反作用飞轮(MSRF)无刷直流电机(BLDCM)的转矩脉动抑制提供了可能,但其bang-bang控制器使电机转矩脉动较大。为解决此问题,对影响转矩脉动的换相和非导通相续流过程进行了数学建模,并得出电机转矩与绕组电流的关系,提出一种基于转矩预测的转矩控制方法,能够有效减小转矩脉动,并证明了所提策略的稳定性和鲁棒性。在采用滑模观测器(SMO)进行反电动势估计时,提出一种新的带有参数的光滑连续函数替换符号函数,有效地抑制了滑模观测器的抖振现象。仿真和实验结果表明,所提出的基于改进滑模观测器和转矩预测的改进转矩控制方法相对于传统直接转矩控制能够更好地抑制转矩脉动,而且转矩响应速度基本不变。

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。

基于变惯量反作用飞轮的小卫星大角度姿态机动控制研究

研究以变惯量反作用飞轮作为执行机构的小卫星的大角度姿态机动控制问题。变惯量反作用飞轮是一种新型的动量交换装置,不仅可以通过改变飞轮转速输出力矩,还可以通过改变其转动惯量实现大范围的力矩输出。文中建立了带有变惯量反作用飞轮的星体姿态动力学方程,设计了姿态控制律和飞轮的操纵律。仿真结果表明,与一般反作用飞轮相比,当小卫星大角度机动时变惯量飞轮的转速更不容易饱和,且力矩的输出范围变宽,可以同时满足小卫星高精度稳定和快速大角度姿态机动的双重要求。

永磁偏置径向磁轴承在磁悬浮反作用飞轮系统中的应用

针对现有径向磁轴承结构电励磁磁路耦合的缺陷,设计了一种新型径向永磁偏置混合磁轴承结构,介绍了这种轴承的结构特点和工作原理,并利用等效磁路法和有限元法(FEM)对该永磁偏置径向混合磁轴承进行了电磁分析,得出了磁轴承的数学模型和主要参数的设计结果。研究结果表明:该径向永磁偏置磁轴承可以有效地避免磁路耦合现象,提高磁轴承系统的控制性能。