MSCSG转子不平衡振动原理分析与建模

磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)是一种新概念陀螺,采用洛伦兹力磁轴承为力矩器驱动转子径向偏转。针对MSCSG转子旋转过程中产生不平衡振动的问题,分析了不平衡振动产生原理,并建立了解析模型。首先,分析了MSCSG的工作原理。然后,确定了转子不平衡条件下转子几何轴与惯性轴间的几何解析关系;推导了转子不平衡振动力矩数学模型,并对不平衡扰动量的能观性进行了判定;建立了包含振动源的磁轴承-转子控制系统模型,对闭环系统的不平衡振动产生机理进行了分析,并对不同转速下不平衡振动的响应特性进行仿真,仿真结果验证了所提出模型的正确性。最后,根据转子不平衡振动的特点提出了对其进行抑制的要求,为实现MSCSG转子不平衡振动控制奠定了理论基础。

MSCSG转子系统的扩展双频Bode图稳定性分析方法

为分析洛伦兹力磁轴承驱动磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)转子偏转过程中的稳定性,针对现有双频Bode图稳定性判据方法仅适用于最小相位系统的不足,提出一种基于扩展双频Bode图的稳定性分析方法。根据洛伦兹力磁轴承工作原理建立了MSCSG转子偏转系统动力学模型;通过变量重构,将实系数双输入双输出系统等效变换为复系数单输入单输出系统;在分析Nyquist曲线与Bode图关联性的基础上,提出针对非最小相位系统的扩展双频Bode图稳定性判据,对不同转速下MSCSG转子系统稳定性进行预测,并通过转速根轨迹曲线预测转子系统的转速稳定区间。所提出的扩展双频Bode图稳定判据结果与时域仿真校验结果相一致,验证了本文所提出的稳定性分析方法的正确性和有效性。

MSCSG随机误差测试及误差源分析

针对磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)的角速率测量信号中存在较大的随机误差,不利于提高MSCSG敏感精度,以MSCSG原理样机为研究对象,提出采用Allan方差分析法对MSCSG实测数据进行随机误差分析。首先,根据MSCSG角速率敏感原理推导出MSCSG转子偏转角速率的量测公式;其次,应用Allan方差分析法和最小二乘拟合方法计算出5种典型随机误差系数。计算结果显示:在MSCSG随机误差中,零偏不稳定性、速率随机游走以及速率斜坡占主要成分,而量化噪声和角度随机游走误差所占比重较小。依此,对MSCSG误差来源进行了指向性分析,并给出了随机误差的抑制补偿方法,为MSCSG敏感精度的提高奠定了理论基础。

基于逆系统解耦的MSCSG姿态测量方法

磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)是一种将姿态控制和姿态测量功能合二为一的新型陀螺,采用洛伦兹力磁轴承(LFMB)控制转子径向偏转。针对MSCSG 2个测量轴之间存在耦合的问题,提出了一种基于逆系统解耦的测量方法。首先,分析了MSCSG的结构组成,在此基础上建立了LFMB-转子系统动力学模型,推导了MSCSG陀螺进行两自由度姿态测量的工作原理;然后,分析了2个测量轴之间的耦合关系,进而提出采用逆系统对2个测量轴进行解耦。最后,对所提方法的有效性进行了仿真验证。仿真结果表明:在所提解耦方法作用下,2个测量轴之间的耦合效果得到了很好的抑制,测量精度得到了一定的提高。

基于ADRC和RBF神经网络的MSCSG控制系统设计

为了克服外部扰动突变对磁悬浮转子悬浮稳定度和磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)输出力矩精度的影响,提出了一种基于自抗扰控制器(ADRC)和径向基函数(RBF)神经网络相结合的MSCSG径向偏转控制方法。阐明了ADRC参数对MSCSG控制效果的影响,通过优化设计ADRC,并将RBF神经网络和ADRC结合运用,实现对控制器参数的实时调试,从而克服外界扰动突变的影响。仿真证明所提方法相较于单ADRC控制,不仅改善了解耦控制精度,而且提高了系统对外部扰动和参数变化的响应速度和鲁棒性,可应用于MSCSG的高精度、快响应、强鲁棒控制。

双框架磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应补偿方法

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double gimbal magnetically suspended control moment gyroscope,DGMSCMG)是由磁悬浮高速转子系统与内框架、外框架速率伺服系统构成的航天器新型姿控执行机构。由于非线性及三个子系统间的强耦合,框架转动时磁悬浮转子位移急剧增大影响稳定性,同时框架系统的响应速度显著下降,称之为动框架效应。该效应严重影响了DGMSCMG的功能,必须加以抑制。建立DGMSCMG的动力学模型,分析三个子系统间的动力学耦合机理,提出一种基于复合控制的补偿方法,引入针对陀螺项的反馈和针对框架角速率给定的前馈消除磁悬浮转子附加位移,提高框架系统响应速度,并对补偿后系统做全局稳定性分析。仿真和试验结果表明,该方法能在保证系统稳定性的前提下有效抑制动框架效应,满足DGMSCMG的功能要求。

单框架磁悬浮控制力矩陀螺的损耗计算及热-结构耦合分析

为了明确由损耗导致航天器应用中的磁悬浮控制力矩陀螺温升问题,需要对损耗和温度分布进行分析计算。本文针对额定转速12 000 r/m,最大角动量200 N·m·s的单框架磁悬浮控制力矩陀螺,通过建立理论模型进行分析计算,得到了框架力矩电机、径向磁轴承、轴向磁轴承和转子高速电机的铁损以及铜损;对陀螺三维有限元模型进行了热场仿真分析,得到在各类损耗影响下的温度分布,并进行了热-结构耦合仿真分析。分析得到最大温度位于高速电机定子,最大温度是48.3℃;最后,进行了样机温升实验验证,检测温度最大值位于高速电机定子,最大值为51.8℃,与计算值误差为6.8%。通过温升检测实验验证了损耗计算和有限元热场分析。实验结论为整体结构优化提供了理论参考。

磁悬浮控制力矩陀螺框架系统谐波减速器的迟滞建模

为了抑制双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架伺服系统中谐波减速器固有的迟滞特性对系统精度的影响,提出了一种基于Preisach模型的谐波减速器迟滞特性建模方法。首先,使用一阶回转曲线法采集谐波减速器的柔轮输出力矩与扭转角,获得建立谐波减速器迟滞模型的实验数据,其中谐波减速器柔轮的输出力矩是在不使用力矩传感器的条件下用系统动力学模型估计得到的;然后,使用Preisach模型对谐波减速器柔轮输出力矩与扭转角迟滞关系进行建模;最后,采用将模型离散化的数字型实现方法辨识模型中的权重函数,并给出模型的离散递归算法使模型利于简易化编程与进一步的在线控制。实验结果显示,谐波减速器的迟滞模型误差不超过0.005°,MSE值不超过(0.000 83%)°。结果显示了所述建模方法的正确性和实用性。

磁悬浮控制力矩陀螺高速电机绕组涡流损耗计算及热分析

为了更准确地预测磁悬浮控制力矩陀螺中高速电机工作时的温升,需要计算电机绕组涡流损耗和对陀螺进行热分析。本文以最大角动量200 N·m·s,额定转速12000 r/min的磁悬浮控制力矩陀螺为研究对象,首先分析了电机绕组涡流产生原理,采用了一种解析法和有限元法结合的方法,推导并计算了高速电机绕组涡流损耗。然后,建立了陀螺三维有限元模型,在已知陀螺各部件损耗的基础上进行了热分析,得到了温度仿真分布。最后,设计了陀螺样机温升实验进行验证。仿真分析得知高速电机定子温度最高,定子绕组温度为40.3℃。温升实验测得电机定子温度为41.6℃,与理论值误差为3.1%。这相比未考虑绕组涡流损耗时的热分析,精度提高了3.7%。考虑了绕组涡流损耗的热分析预测温升更加准确,这对于优化磁悬浮控制力矩陀螺的热设计有重要意义。

基于α阶逆系统的两自由度主被动磁悬浮转子解耦控制

针对主被动磁悬浮控制力矩陀螺(CMG)磁轴承两径向平动自由度之间存在较强耦合的问题,提出采用α阶逆系统方法对主被动磁轴承系统进行解耦控制。首先,根据主被动磁轴承的结构特点,建立了主被动磁悬浮转子径向通道平动力模型以及动力学模型;利用上述模型分析了两径向自由度之间的耦合特性,并对系统进行可逆性分析,得到了原磁轴承系统的α阶逆系统模型。然后,将原系统与α阶逆系统组合得到二阶积分线性系统,利用最优控制器实现闭环控制。最后,对本文方法进行了仿真及实验。结果表明,当x向有40μm位移阶跃和18μm幅值的正弦干扰时,利用本文方法可将y向位移跳动控制在PID控制方法的13.6%和17.9%,实现了主被动磁悬浮转子两径向平动通道之间的解耦控制。

基于逆系统方法的DGMSCMG框架伺服系统解耦控制研究

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double-gimbal magnetically suspended control moment gyroscope,DGMSCMG)的框架伺服系统是一个多变量、非线性且强耦合的复杂系统.为了进一步提高框架伺服系统的控制精度,本文提出了一种基于电流模式的动态逆系统解耦方法,通过对功放系统的动态补偿有效克服了未建模动态对解耦性能的影响,采用自适应滑模控制器有效提高了系统的跟踪特性.

大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架优化设计方法研究

针对大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架,进行频率、重量和体积的设计优化。针对单框架磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统中的工程化问题,设计了三种方案:单体带式、两体球壳和三体球壳等框架;经过频率、质量和工艺性的综合分析,选用了两体球壳框架的方案。采用先延长再剪切的求交点方法,建立框架体参数化模型的封闭截面线;引入正交试验设计,分析几何参数对框架频率和重量的影响,取其中的主要影响因素为设计变量;以框架的频率为约束条件,以重量最小为目标进行设计优化。优化后质量较优化前减少了0.54kg,频率达到1000Hz以上,满足磁悬浮控制力矩陀螺系统的控制稳定性要求。最后,给出了产品实例和额定转速的磁轴承位移波形图。

DGCMG框架伺服系统摩擦力矩建模及辨识

为了减小强陀螺效应条件下双框架控制力矩陀螺(double gimbal control moment gyroscope,简称DGCMG)框架伺服系统的非线性摩擦力矩对框架伺服系统控制精度的影响,提出了一种对DGCMG框架伺服系统非线性摩擦力矩精确建模和辨识的方法。分析了DGCMG框架伺服系统的动力学方程,在研究内、外框架摩擦力矩随内外框架角速度和陀螺力矩变化规律的基础上,建立了内、外框架摩擦力矩精确的数学模型,并用控制力矩陀螺的实际参数和实验采集数据对摩擦力矩模型参数进行了遗忘因子递推最小二乘法辨识。实验结果验证了所建模型的正确性和辨识结果的准确性,有助于补偿DGCMG框架伺服系统的非线性摩擦力矩,提高框架伺服系统的控制精度。

非线性强陀螺效应磁悬浮转子的解耦控制

针对磁悬浮控制力矩陀螺径向磁悬浮转子强非线性、强陀螺效应耦合对系统稳定性的影响,建立了磁悬浮转子多通道非线性动力学模型与功放模型,分析了磁悬浮转子系统的强陀螺效应耦合性,提出了一种考虑功放环节的α逆系统结合滑模控制器的解耦控制方法,并对其进行了仿真试验。结果表明,该方法对磁悬浮转子系统有良好的解耦效果与鲁棒性。

基于双频Bode图设计磁悬浮弹性转子陷波器

提出一种基于双频Bode图的陷波器(NF)参数设计方法,采用双频Bode图分析转子弹性模态稳定性,得出不同转子转速下对NF相位校正角的要求,然后在保证转子章动稳定性的前提下优化设计NF参数。采用该方法设计的NF有效地抑制了转子的弹性自激振荡,使所研制的磁悬浮控制力矩陀螺稳定升速到20 000 r/min,从而验证了该方法的实用性和有效性。

基于自适应反步的DGMSCMG框架伺服系统控制方法

针对双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)内、外框架伺服系统耦合力矩及传动机构的非线性传动特性影响框架角速率精度的问题,提出一种基于自适应反步的非线性鲁棒控制器的设计方法。首先分别就双框架伺服系统耦合力矩及框架传动机构的非线性传动特性对系统稳定性和角速率精度的影响进行分析;其次利用反步理论,通过构造适当的Lyapunov函数并逐级反推得到控制律,保证参数估值的收敛性和系统的全局稳定性;最后通过仿真分析并以小型DGMSCMG系统为对象进行实验,结果表明:与电流前馈控制比较,所提出的自适应反步控制方法,既增强双框架伺服系统的扰动抑制能力,又提高框架角速率精度。

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子的高精度位置控制

在受到陀螺效应、动框架效应等影响后产生的磁力非线性问题是磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)高速转子位置精度下降的主要因素。为解决以上问题,提高转子位置精度,本文分析了转子所受磁力的特性,建立了转子系统非线性动力学模型,提出了神经网络滑模控制方法。设计滑模控制律,采用径向基函数神经网络逼近控制律中的非线性模型,自适应算法根据误差在线调整神经网络的权值,同时可以保证整个系统的稳定性。仿真和实验结果表明,所提出方法的转子位置精度达到99%,稳态误差为0.000 2 mm。神经网络滑模控制可以实现MSCMG转子系统的高精度位置控制。

磁悬浮反作用飞轮中磁轴承的H_∞控制与仿真研究

对外转子、大转动惯量、小跨距的磁悬浮反作用飞轮进行了系统分析与建模,设计了基于混合灵敏度函数的H∞控制器,并给出了H∞控制器和PID控制器的S-T特性仿真曲线和阶跃仿真曲线。通过对两种控制器相关项的比较,得出:基于H∞理论的控制器比传统的PID控制器具有更好的动态性能、更强的扰动抑制能力和更好的鲁棒性。

高速无刷直流电机锁相转速控制器参数蚁群优化

针对当前锁相速度控制器的参数整定多采用试验加试凑的方式由人工进行优化,提出了一种以快捕带为目标函数的锁相速度控制器新型蚁群参数优化策略。建立了目标函数,推导了蚁群算法锁相速度控制器参数优化方法,并给出了新算法的具体实现步骤,最后将该优化方案用于磁悬浮控制力矩陀螺的高速无刷直流电机速度控制。仿真研究表明,该锁相速度控制器参数优化策略具有很强的适应性、鲁棒性,进而通过实验验证了该方案的可行性和有效性。

洛伦兹力磁轴承磁密均匀度设计与分析

新型磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)高速转子具有万向偏转特性,可输出高精度和高带宽的偏转控制力矩,用于抑制天基平台的周期性振动。MSCSG采用5自由度(DOF)全主动控制,其径向2个扭动DOF的偏转控制由洛伦兹力磁轴承(LFMB)实现。基于LFMB的基本构型,建立电磁力和电磁力矩的数学模型,并分析出气隙磁密均匀度是影响输出力矩精度和角速率测量精度的主要因素。介绍了LFMB的优化设计结构,通过有限元仿真分析,结果表明所设计LFMB通过在内外永磁体表面增加1J50导磁薄片,能够有效提高气隙磁密分布的均匀度,输出控制力矩更加精确,有利于提高控制精度;通过使用梯形永磁体提供更大的供磁面积提高气隙磁密强度以降低功耗,同时梯形永磁体在转子高速旋转时便于限位,保证稳定性。本文研究可为具有偏转特性的磁悬浮类转子陀螺的设计与分析提供有益参考。