电磁力超前控制在磁悬浮飞轮中的应用

对于具有强陀螺效应的磁悬浮飞轮系统,在实际运行时其章动与进动模态会对转子高速下的稳定性产生影响,必须有效地对其进行抑制,以使磁悬浮飞轮系统运行到工作转速。传统的PID控制已经难以满足系统的要求。给出了一种新的抑制磁悬浮飞轮章动的方法——电磁力超前控制。这种方法结合位移交叉能同时对章动与进动进行抑制,并且实现简单。对方法的有效性进行了理论分析,并给出了仿真结果及部分试验数据。     

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.     

基于TMS320C6713B+FPGA数字控制器实现磁悬浮飞轮主动振动控制

为了抑制磁悬浮飞轮的振动,分析了磁悬浮飞轮的振动源.针对磁悬浮飞轮最主要的振动源-不平衡振动,给出了一种基于TMS320C6713B+FPGA数字控制器的磁悬浮飞轮主动振动控制实现方案.介绍了所采用的主动振动控制方法、数字控制器的硬件组成和功能原理,并讨论了DSP中主动振动控制算法的实现和FPGA中多任务管理及外设控制等.实验结果显示,采用本方法进行主动振动控制后,磁悬浮飞轮的不平衡振动衰减至3.2%,表明本实现方案对飞轮转子不平衡振动取得了很好的抑制效果,对于增加磁悬浮飞轮姿态控制的稳定性,提高对地观测分辨率具有重要意义与应用价值.     

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。     

片状转子磁悬浮控制系统的研究

转子轴向尺寸大幅缩小后形状趋于片状,轴向转动惯量与径向转动惯量之比增大,称为片状转子。片状转子磁悬浮轴承系统因陀螺效应而存在耦合,随着转子转速的升高,耦合现象也随之加强。针对片状转子的数学模型,基于交叉反馈算法,推算了轴向三控制点间的交叉反馈系数,对系统进行Simulink仿真,仿真结果表明以此算法为基础开发的控制系统能够完全消除因陀螺效应产生的耦合作用。实验对比了分散控制系统和交叉反馈解耦控制系统下控制电流和位移的幅值。交叉反馈控制系统下的控制电流和位移有明显减小。     

基于变偏置电流方式的交叉反馈控制策略研究

建立磁悬浮飞轮电池试验台,通过理论分析和高速旋转试验,研究了交叉反馈控制策略对飞轮转子陀螺效应的抑制作用和对磁悬浮轴承转子系统动态性能的影响。在交叉反馈控制算法的基础上引入变偏置电流控制方式,根据系统在不同转速下的动态性能,调整磁悬浮轴承的偏置电流,使得磁悬浮轴承具有较低的涡流和磁滞损耗,同时系统也能够平稳越过临界转速。研究表明,采用基于变偏置电流方式的交叉反馈控制策略,能够保证飞轮电池系统具有较好的综合性能。     

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。     

磁悬浮分子泵高速转子章动相位裕度跟踪补偿控制

针对磁悬浮分子泵转子在高速运转时章动模态造成的失稳问题,提出一种基于交叉反馈的章动相位裕度跟踪补偿控制方法。利用磁悬浮转子系统的复系数建模方法,定量分析闭环控制作用下扁平转子的阻尼章动频率,确立章动频率与控制系统参数及转速间的解析关系,设计自适应滤波器跟踪提取章动频率信号,应用于交叉反馈的章动控制通道,实现全转速范围内对章动相位裕度的跟踪补偿控制。仿真结果表明,章动频率解算精确,基于交叉反馈的章动模态控制方法可有效解决磁悬浮高速转子全转速范围内的章动模态稳定控制问题。最后,将所提方法应用于所研制的大抽速磁悬浮分子泵控制系统,章动模态振动幅值被抑制在-60 d B以下,消除了章动模态对控制系统稳定性的影响,确保了磁悬浮分子泵长期可靠运行。     

主动磁悬浮轴承-储能飞轮转子系统振动主动控制

针对主动磁悬浮轴承-储能飞轮转子系统的不平衡振动控制,提出一种基于最小均方误差(LMS)的自适应变步长算法实现全工作转速范围内的振动控制方法.在标准LMS算法的基础上采用一种新的步长因子迭代公式,基于该步长因子下的LMS算法实时识别转子位移信号中与转速同频的振动分量,在位移信号进入控制器之前,通过反馈对这一分量进行不平...     

RESEARCH ON CONTROL OF FLYWHEEL SUSPENDED BY ACTIVE MAGNETIC BEARING SYSTEM WITH SIGNIFICANT GYROSCOPIC EFFECTS

Traditional PID controllers are no longer suitable for magnetic-bearing-supported high-speed flywheels with significant gyroscopic effects. Because gyroscopic effects greatly influence the stability of the flywheel rotor, especially at high rotational speeds. Velocity cross feedback and displacement cross feedback are used to overcome harmful effects of nutation and precession modes, and stabilize the rotor at high rotational speeds. Theoretical analysis is given to show their effects. A control platform based on RTLinux and a PC is built to control the active magnetic bearing (AMB) system, and relevant results are reported. Using velocity cross feedback and displacement cross feedback in a closed loop control system, the flywheel successfully runs at over 20 000 r/min.     

复合材料储能飞轮挠性结构振动的磁轴承控制

储能密度是储能飞轮的重要指标之一,选用碳纤维、玻璃纤维复合材料的储能飞轮可以有效提高储能密度,同时,选用磁悬浮支承则可以适应真空环境及减少损耗。但是,由此也增加了结构的复杂性,例如,连结飞轮转子中金属部件与复合材料之间的挠性薄壳轮毂具有不同于常规刚体飞轮的动力学模型特性。针对薄壳结构的模态振动特征与陀螺效应控制之间的矛盾,描述一种具有挠性结构储能飞轮的磁轴承控制方法。在模态分析的基础上,利用多通道添加相位整形的控制方法有效抑制了系统中的挠性结构的模态振动。试验结果表明,使用所设计的控制器,转子可平稳通过中心频率为340 Hz的轮毂——心轴挠性模态振动区域,运行转速475 Hz(28 500 r/min),轮缘最大线速度达到450 m/s,并成功实现飞轮的充放电过程。     

Design of magnetically levitated rotors in a large flywheel energy storage system from a stability standpoint

The stability of flywheels in an energy storage system supported by active magnetic bearings (AMBs) is studied in this paper. We designed and built two flywheel energy storage systems (FESS) that can store up to 5 kWh of usable energy at a maximum speed of 18,000 rpm. One is optimized to store as much energy as possible, resulting in a flywheel with a strong gyroscopic coupling. The other has a much smaller gyroscopic coupling for ease of control. To analyze the stability of the system accurately, we derived the dynamic models of the rotor using finite-element method and integrated them with the models of the bearings, amplifiers, and sensors to obtain the simulation model of the system. We validated the model through experiments and compared the stability of these two systems.     

基于ANSYS的大型屏蔽电机泵转子系统建模及动力学分析

基于ANSYS建立了大型屏蔽电机泵转子系统的有限元模型,通过模态分析和谐响应分析研究了陀螺效应对转子系统临界转速和质量不平衡响应的影响。分析结果表明:陀螺效应对临界转速计算结果影响较大,转子动力学分析时应考虑陀螺效应;考虑陀螺效应后,转子系统临界转速大于设计临界转速;各测点质量不平衡响应一次共振峰值小于横向振动设计限制;叶轮中心和上、下飞轮中心振幅远大于其它位置振幅,为易振动部位,实际运行中应重点选择这些位置进行振动监控。     

高速大惯量磁悬浮转子系统章动交叉控制的保相角裕度设计

研究了章动交叉反馈校正的参数设计方法。针对大惯量高速磁悬浮转子支承系统,采用双频Bode图进行章动稳定性分析。在此基础上,提出一种基于双频Nyquist曲线的交叉参数保相角裕度设计方法。在给定相位超前角的情况下,通过矢量合成确定章动交叉的比例系数和高通滤波器截止频率,实现了章动交叉反馈的鲁棒稳定设计。设计的交叉控制器使研制的磁悬浮控制力矩陀螺转子临界稳定转速由10 500 r/min提高到20 400 r/min。试验结果表明,保相角裕度方法为交叉反馈校正提供了有效的参数设计手段。     

Adaptive back-stepping tracking control for rotor shaft tilting of active magnetically suspended momentum wheel

Two-dimensional gyroscopic torque can be produced by tilting the rotor shaft of the active magnetically suspended momentum wheel. The nonlinear magnetic torque is analyzed and then an adaptive back-stepping tracking method is proposed to deal with the nonlinearity and uncertainty. The nonlinearity of magnetic torque is represented as bounded unknown uncertainty stiffness, and an adaptive law is proposed to estimate the stiffness. Combined with back-stepping method, the proposed method can deal with the uncertainty. This method is designed by Lyapunov stability theory to ensure the stability, and its effectiveness is validated by simulations and experiments. These results indicate that this method can realize higher tracking precision and faster tracking velocity than the conventional cross feedback method to provide high precision and wide bandwidth outputting torque.     

弹性转子-电磁轴承系统的建模与控制

利用传递矩阵法,建立电磁轴承支承的多自由度弹性转子陀螺耦合系统的线性变参数模型,对此系统进行状态可控、可视,输出可控及系统稳定性分析;针对实际应用中的PID控制方法对闭环系统进行时域仿真,讨论了实现中非纯微分结构及不共点问题的影响。     

Modeling and vibration characteristics analysis of a DMF rotor system

To analyze the vibration response of a rotor system with circumferential short spring dual mass flywheel (DMF) when the primary flywheel speed changes, the interactions (forces and torques) between the primary flywheel, spring seat, spring, and secondary flywheel are analyzed in detail, and the dynamic analysis model of the DMF rotor system is established considering the influence of clearance and friction between parts in the DMF in this study. The vibration response of the DMF is investigated by numerical method. By analyzing the bifurcation diagram, time history, phase trajectories, Poincaré section, and frequency domain of the relative angular displacement, the variation of vibration form of the system under different excitation frequencies are discussed. Besides, the effects of load, primary flywheel speed amplitude, and spring stiffness on system vibration are also analyzed. Finally, some of the results from the analytical study are verified through the DMF rotor system experiments.