磁悬浮陀螺飞轮用隐式洛伦兹力磁轴承

针对磁悬浮陀螺飞轮用显式洛伦兹力磁轴承气隙磁密均匀性差的问题,提出了一种磁钢内置的隐式洛伦兹力磁轴承,并采用三维有限元法对两种方案的气隙磁密进行比较分析。隐式方案的气隙磁密在周向和纵向的变化率分别为0.8%和8.4%,远优于显式方案的15.0%和23.7%。利用磁场分割法对隐式方案的磁阻进行了区域分割,采用积分法精确计算各区域磁阻,建立了磁轴承磁路数学模型,得到了影响偏转电流刚度的关键结构参数,并基于有限元法对隐式方案形状及结构参数进行详细优化。结果表明,在不恶化气隙磁密变化率的前提下,优化前后绕组区域的最大磁密和最小磁密分别从0.404T和0.368T增加至0.464T和0.427T,增幅为14.6%和16.0%。根据优化结果研制了一台隐式洛伦兹力磁轴承,并进行了气隙磁密和偏转电流刚度实验测试,测试结果与设计结果相符,对洛伦兹力磁轴承的设计具有重要意义。     

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。     

磁悬浮飞轮陀螺力学与控制原理

通过对磁悬浮飞轮陀螺力学进行研究,并分析电磁力对转子章动、进动特性的影响,将磁轴承电磁力对飞轮转子的作用分成四种基本支承成分,分别讨论它们对转子章动与进动稳定性的不同影响.控制器可通过调整四种基本成分在总的电磁力中的比重,改变转子章动、进动的阻尼特性,实现转子的高速稳定运行.基于这些分析,总结出磁悬浮飞轮控制器设计的基本原则.该原则为高速下磁悬浮飞轮转子系统控制器的设计指明方向.     

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子的优化设计

介绍了一种磁悬浮控制力矩陀螺(CMG)的结构,其中陀螺转子的额定角动量为200N·ms.利用多学科设计优化软件iSIGHT及有限元分析软件ANSYS,以质量为优化目标,以静力学、动力学和其他要求同时作为约束条件,对永磁偏置混合磁轴承支承的5自由度高速盘形转子(额定转速为20 000 rpm)进行了优化设计.通过优化设计,其静强度安全系数由原来的2.39提高到2.63,提高了10%;转子质量由15.032 kg减小为13.972 kg,减少了7.1%.为满足控制系统对共振频率的要求,转子的弹性一阶共振频率为1 313 Hz(动力学).     

超精密磁悬浮工作台及其解耦控制

给出了一个磁悬浮工作台的结构设计、建模、控制器设计、实时控制试验和试验结果。与国际上已有的类似研究相比,给出的方案使磁悬浮部分独立于直线电动机,以避免两者间的耦合问题。此外,在电磁铁的结构和传感器的布置上,均给出了全新的设计,其特点是即便不使用永久磁铁,电磁铁的静态功耗也比较小,以及在驱动和位置检测上安排了冗余。后者的有利之处是可获得结构上的对称性和解耦后各控制通道在噪声性能上的一致性,且能够更大程度地降低位移信号中的噪声,代价是需要增加一路位移传感器和功率放大器,以及需要略多的实时计算以实现解耦和消除冗余。     

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。     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承负载力矩复合补偿的控制

提出一种基于角速率前馈与力矩观测相结合的磁轴承负载力矩复合补偿控制方法来提高双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子的悬浮精度。建立了双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮转子动力学模型,分析了内外框架转动情况下的磁轴承负载力矩。分别基于框架角速率前馈和力矩观测设计了磁轴承负载力矩复合补偿控制方法,分析了补偿后系统的稳定性。最后,利用实验室研制的样机搭建试验平台对本文所提出的方法进行了实验验证。结果表明:在框架以角加速度120(°)/s2启动至10(°)/s时,该方法使转子Ax端位移跳动量减小为未补偿前的44.8%;内外框架以幅值频率10Hz正弦激励时,转子Ax、By端的位移跳动量分别减小为未补偿前的23.4%和35.5%。结果显示提出的方法有效地提高了磁悬浮转子在负载力矩扰动下的悬浮精度。     

磁悬浮飞轮转子优化设计与实验

以一种额定转速为5000r/min,额定角动量为50Nms的磁悬浮飞轮转子系统为对象,对混合离散变量非线性优化问题进行了研究。建立了飞轮转子的优化模型,并改进了传统的优化设计方法。采用针对离散变量的全域遍数法,嵌套连续变量的序列二次规划法,对转子系统进行优化设计。在此基础上,考虑转子质心与磁轴承几何中心距离,对转子进行二次优化。结果显示,轮辐为5根时,转子质量达到全域最小,约为7.25kg。根据优化结果研制了一台磁悬浮飞轮,并对优化模型的谐响应分析结果进行实验验证,两者最大误差为2.2%。     

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。     

磁悬浮轴承研究综述

旋转机械正在朝高转速、高精度和高柔性等多方向发展,这在很大程度上得益于轴承技术的不断改进。磁悬浮轴承由于具有转速高、无磨损、无需润滑、可靠性好和动态特性可调等突出优点,近20年来已在许多工业部门得到广泛应用。针对该领域近年来的研究成果及发展动向进行了全面的综述。     

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。     

Design of Spherical Spiral Groove Bearings for a High-Speed Air-Lubricated Gyroscope

A spherical spiral groove gas bearing has the ability to not only support radial and axial loads simultaneously but also tolerate extensive misalignment. Thus, this bearing type is considered suitable as a supporting and lubrication component of inertial components such as gyroscopes in the fields of aerospace and navigation. In this study, we propose a numerical method for predicting static and dynamic characteristics and conduct a parametric analysis of an aerodynamic spherical bearing with rotating spiral grooves. The finite difference method and the perturbation method are used to calculate the Reynolds equation to obtain the force coefficients. Given the complicated groove distribution, as well as film discontinuity and compressibility, solving the equations numerically in the spherical coordinates system is difficult. Parameter transformation and oblique coordinate transformation are thus applied in this study to modify the Reynolds equation into the planar oblique coordinate system. An eight-point method is also utilized to deal with film thickness discontinuity. The predictions of this proposed method show good agreement with the available experimental data. Parametric studies on nominal clearance, eccentricity ratio, rotating speed, groove depth, groove angle, and perturbation frequency are then conducted to determine optimum design parameters. The results show that these factors significantly affect bearing characteristics in both the radial and axial directions.     

轴向混合磁悬浮轴承磁场与控制研究

采用有限元法对轴向混合磁悬浮轴承的磁场进行分析,应用三角剖分单元建立了磁悬浮轴承模型,在泛函分析基础上归纳出了磁位势的计算方程。根据所建模型,分析了永磁偏置磁场的磁通与磁感应强度分布特点、研究了电流控制磁场独自存在时的磁通分布和磁感应强度分布规律,描述了磁场力与控制电流的关系曲线。进而深入解析了永磁偏置磁场和电流控制磁场叠加条件下的磁通与磁感应强度分布特点,并得出磁场力与控制电流的关系。     

磁悬浮飞轮不平衡振动控制方法与试验研究

针对磁悬浮飞轮不平衡振动会造成飞轮系统的同频扰动,影响卫星姿态控制精度与卫星载荷精度的问题,提出一种开环轴承力补偿的磁悬浮飞轮不平衡振动控制方法。将抑制轴承力中的同频量作为控制目标,通过建立含有不平衡量的磁悬浮飞轮系统动力学模型,分析刚性转子不平衡量的特性,在自适应陷波器基础上,加入位移刚度力补偿机构、开闭环控制和位移刚度力补偿控制两个作用开关,在整个转速范围内对轴承力中的同频量进行抑制。本方法特别适合磁悬浮飞轮输出姿态控制力矩时频繁穿越临界转速的特点,尤其适合磁悬浮反作用飞轮的应用。仿真分析和试验结果表明,本方法在整个转速范围内对飞轮转子的不平衡振动起到很好的抑制效果。     

磁悬浮球形磁阻主动关节的建模与逆系统解耦控制

球形电动机直接支承驱动的多自由度球形主动关节机械集成度高,在控制和轨迹规划方面占有优势。但关节工作时,由于机械支承的摩擦磨损,造成关节部件发热,导致关节的静、动态性能变差。基于电动机技术、磁悬浮技术以及机器人技术,提出一种无机械摩擦和磨损、不需要润滑的多自由度磁悬浮球形磁阻主动关节结构,分析其工作原理;根据磁悬浮磁阻主动关节的气隙磁能对球形转子的旋转角位移和径向位移求导求出关节在一个坐标方向的电磁悬浮合力和电磁总转矩模型;基于电磁悬浮力及电磁转矩模型,建立主动关节系统的动力学原型模型和逆系统模型;将逆系统模型作为解耦控制器对原型系统进行解耦控制得到解耦后的伪线性系统,对解耦线性化的伪线性系统进行状态反馈闭环控制,并对其进行系统仿真研究;仿真结果说明,磁悬浮球形磁阻主动关节系统的逆系统解耦和状态反馈闭环控制具有良好的动态响应和抗干扰的鲁棒特性。     

小型低风速风力发电机永磁轴承的设计与分析

风能是重要的可再生能源,低风速风能的利用对风力发电的发展有重要意义。磁力轴承能有效地减小风力发电机的启动阻力矩、降低启动风速。永磁轴承具有体积小、无功耗、结构简单、零响应时间等优点而被广泛应用。对永磁轴承的结构设计进行了分析,并采用轴向磁化轴向叠加多环径向永磁轴承作为低风速风力发电机主轴支承,用有限元法分析计算了的永磁径向轴承的径向力,完成了实验样机,对比实验表明,该样机的启动阻力矩比传统的风力发电机降低了40%。     

提高双框架磁悬浮CMG动态响应能力的磁轴承补偿控制方法与试验研究

针对高动态响应双框架磁悬浮控制力矩陀螺对高速转子悬浮精度的影响,分析磁悬浮高速转子与内、外框架非线性耦合特性,建立内外框架转动时的高速转子动力学模型.该模型在原有陀螺力矩的基础上兼顾转动惯性力矩,考虑到转动惯性力矩中框架角加速度变量在测量过程中存在的不确定干扰和噪声,采用鲁棒H(滤波对内外框架角加速度进行滤波估计;在此基础上,根据力矩补偿控制策略,利用磁轴承控制系统驱动线圈产生相应的电磁力,对转动惯性力矩和陀螺力矩进行补偿控制.试验结果表明,H(滤波对于噪声的不确定性具有良好的鲁棒性,磁悬浮高速转子跳动量减至补偿前的30%以内,提高了磁悬浮系统的稳定性和悬浮精度,改善了控制力矩陀螺的力矩输出特性.     

磁悬浮支承振动半主动控制设计与仿真

利用DSP作为控制算法的核心器件,搭建了半主动减振系统,并将其应用于双层隔振系统中。通过调节PID控制器参数,改变电磁力从而获得系统的最佳刚度和阻尼。针对磁悬浮支承双层隔振系统的非线性和工作过程的复杂性,利用Simulink在非线性控制系统领域的仿真优势,建立磁悬浮支承的数学模型,将模糊控制、神经元控制分别和PID控制相结合进行仿真对比,仿真实验表明,神经元PID控制的动态性能和稳定性最佳,为磁悬浮浮筏隔振系统进行变刚度变阻尼控制提供可遵循的依据。     

磁悬浮电动机柔性转子振动控制与试验研究

针对磁悬浮电动机柔性转子穿越一阶弯曲临界转速所面临的问题,提出综合多种控制器于一体的振动控制方法。为保证控制器设计的准确度,采用在线扫频技术验证磁轴承系统各环节建模的正确性。基于不完全微分PID控制器,设计固定中心频率的陷波器抑制转子二阶弯曲模态。根据等效控制系统的阻尼特性,设计相位补偿器增加转子在一阶弯曲模态共振点附近的正阻尼,抑制转子一阶弯曲模态。考虑到转子存在较大的二阶柔性不平衡质量,根据最小电流控制准则,在转子穿越一阶弯曲临界转速之后启用同频陷波器,消除功放同频电流,避免磁轴承控制量过大造成功放电压饱和。试验结果表明,所设计的综合控制器有效抑制了转子的一阶和二阶弯曲模态,且转子在一阶弯曲模态处的最大位移振幅仅为轴承单边保护间隙的5%;最终转子成功穿越一阶弯曲临界转速,并稳定运行在转速34 000 r/min。