磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承的变工作点线性化自适应控制方法

为提高磁悬浮控制力矩陀螺框架高速时的磁悬浮转子系统稳定性,研究磁轴承的电磁力-线圈电流/转子位移非线性的线性化及其控制方法.分析框架转动时的磁轴承工作点变化规律,提出磁轴承力-电流/位移特性基于框架转速的变工作点大范围线性化方法,根据线性化得到的线性变参数模型设计增益调节与前馈控制相结合的控制律,按照框架转速的大小对磁轴承位移刚度的变化进行自适应补偿,在磁悬浮转子稳定前提下使框架转速由6.25(°)/S提高到9.5(°)/S.该方法能有效补偿框架运动时的磁轴承力非线性,大幅提高框架转速较高时的磁悬浮转子系统稳定性.     

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.     

双框架控制力矩陀螺框架系统的扰动观测及抑制

内外框架间的耦合力矩、非线性摩擦和未建模动态是影响双框架控制力矩陀螺框架系统高精度角速率伺服控制的主要因素。为提高框架系统的干扰抑制能力,保证框架系统输出角速率精度,本文提出了一种基于非线性级联扩张状态观测器和滑模控制的复合扰动抑制方法。框架系统中的所有干扰都被认为是集总干扰并由设计的NCESO估计,通过滑模控制可从系统输出通道中消除集总干扰的影响。最后,将本文提出的控制方法与线性级联扩张状态观测器和状态反馈结合的复合控制方法进行了对比仿真实验。仿真和实验结果表明,本文提出的方法具有更好的干扰抑制和动态响应性能,内框架角速度波动从0.5(°)/s减小到0.2(°)/s,外框架角速度波动从0.45(°)/s减小到0.15(°)/s;跟踪正弦参考信号时,速度跟踪误差从1.8(°)/s减小到1.2(°)/s,相位滞后从8°减小到1.3°。     

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。     

双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的扰动抑制

内外框架之间的耦合力矩和谐波减速器的非线性传输力矩是影响双框架磁悬浮控制力矩陀螺(DGMSCMG)框架系统精确角速度控制的主要因素,为了解决以上干扰问题,实现框架系统高精度角速率伺服控制提出了一种基于扰动观测器和自适应反步的框架系统复合解耦控制方法。通过扰动观测器来估计框架系统中的扰动,并结合自适应反步法获得控制律,其间将扰动估计误差当作未知参数设计了其自适应律,对扰动的两次处理使得框架系统干扰估计更加精确,同时可以保证估计参数的收敛性和整个框架系统的稳定性。仿真和实验结果表明,采用此复合控制方法,DGMSCMG框架系统扰动估计误差不超过框架系统实际扰动的3%,实际框架角速率跟踪参考指令角速率的精度达到99.2%。此复合解耦控制方法可以满足DGMSCMG框架系统抗干扰能力强、高精度角速率伺服控制的要求。     

动基座下DGCMG框架伺服系统干扰补偿控制

针对双框架控制力矩陀螺(double gimbal control moment gyro,简称DGCMG)内外框架间的耦合力矩和航天器快速机动带来的牵连力矩引起框架角速率波动问题,建立了动基座下DGCMG框架伺服系统的动力学模型,提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer,简称ESO)的扰动力矩估计方法。对耦合力矩、牵连力矩等扰动力矩进行估计并采用力矩前馈的方式进行补偿,从而抑制扰动力矩对框架伺服系统控制精度的影响。仿真及实验结果表明,该控制方法能有效抑制由于扰动力矩引起的框架速率波动,提高了框架的速率输出精度。     

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).     

主被动磁悬浮转子的不平衡振动自适应控制

针对主被动磁悬浮控制力矩陀螺转子高速旋转时产生的不平衡振动,提出了基于滑模观测器和陷波器的主被动磁悬浮转子不平衡振动自适应控制方法。该方法采用滑模观测器使同频振动的控制不受磁轴承的刚度参数摄动和磁力耦合的影响,将滑模观测器与陷波器结合,无需区分电流刚度力和位移刚度力,无需设计算法补偿功率放大器的影响,可自适应消除不平衡振动。对该方法进行了仿真和实验验证。仿真结果显示该方法可使同频轴承力大幅减小;实验结果显示,虽然主被动磁悬浮转子的被动轴承不可控,同频振动仍由0.053g减小为0.012g,减小了77%。得到的结果表明,该方法不仅适用于主被动磁悬浮转子,也适用于全主动磁悬浮转子。     

主被动磁悬浮高速转子系统的自动平衡控制

针对主被动磁悬浮转子高速旋转时质量不平衡和被动磁轴承磁中心的偏移导致的同频振动力问题,提出了一种基于位移陷波加前馈补偿的自动平衡控制方法。首先,在转子为零位移控制状态下提取控制电流的同频成分,计算获得与被动磁轴承磁中心偏移相关的参变量;然后,在额定转速下设计通用陷波器以消除同频电流,前馈补偿主动磁轴承、被动磁轴承位移负刚度力和被动磁轴承磁中心偏移力,使主被动磁轴承的同频输出力为零,实现了转子绕惯性中心旋转。对提出的方法进行了仿真和实验验证并与仅补偿质量不平衡的算法进行了对比。仿真结果显示:提出的方法的同频磁轴承力减小到了只进行质量不平衡补偿算法的6%;实验结果显示:同频振动加速度减小到只进行质量不平衡补偿算法的23.3%。仿真和实验验证了该方法的有效性,表明该方法对同频振动抑制效果显著,实现了转子的自动平衡控制。     

导引头稳定平台的扰动补偿及改进滑模控制

为提高导引头稳定平台抗扰性,提出了一种导引头稳定平台的扰动补偿及改进滑模控制策略。首先根据扰动特点将扰动分为摩擦力矩和"剩余扰动"两部分,基于Stribeck摩擦模型辨识摩擦参数,并进行摩擦力矩补偿;采用扩张高增益观测器对"剩余扰动"进行估计,并给出了扩张高增益观测器的收敛条件。然后设计了改进滑模控制器作为稳定回路的控制器实现伺服控制,采用Lyapunov函数证明其稳定性。最后,搭建测试系统分别进行了稳定平台性能测试和导引头性能测试,用于验证跟踪和抗扰效果。实验结果表明,跟踪1(°)/s的梯形波时,提出的控制器有效地补偿了摩擦,同时稳态精度提高了0.032 8(°)/s;给定三轴转台典型幅值和频率扰动下,采用提出的控制器时系统隔离度至少提高了0.57%。表明提出的控制器改善了系统抗扰性。     

基于复数相移陷波的磁悬浮转子系统自平衡控制

为抑制磁悬浮转子系统的不平衡振动力,提出了一种基于复数相移陷波器和前馈控制的自平衡控制算法。介绍了磁悬浮转子系统的结构和工作原理,给出了含转子不平衡的磁悬浮转子系统动力学模型,分析了不平衡振动力的电气特性。推导了不平衡振动力的抑制条件,指出功率放大器引起的幅值和相位误差是影响不平衡振动抑制效果的主要因素。将磁悬浮转子两自由度平动方程转换为单自由度复数方程,设计了复数相移陷波器,建立数学方程并讨论了中心频率的幅值和相位特性。最后以磁悬浮控制力矩陀螺为测试平台,对提出的控制算法进行了实验验证。结果表明:采用该算法后不平衡振动力减小了94.1%,验证了该算法的有效性。此外本算法还具有动态过程平滑、计算量少等优点。     

磁悬浮高速转子基于位移刚度力超前前馈补偿的高精度自动平衡方法

磁悬浮转子高速旋转时产生与转速同频的不平衡振动,向外界传递振动力,干扰外部动力学环境。为消除同频不平衡振动力(即自动平衡),可采用消除同频电流与补偿位移刚度力相结合的轴承力消除方法,但磁轴承功放环节的低通特性使位移刚度力补偿存在误差,并降低系统稳定性,且上述影响随转速升高而显著增大。为增强自动平衡效果,提出一种基于位移刚度力超前前馈补偿的高精度自动平衡方法,在消除同频电流的同时,采用不平衡量—电流前馈以补偿同频位移刚度力,并引入功放的简化逆模型对前馈量进行超前校正,消除功放低通特性的影响。对该方法进行仿真和试验验证,仿真结果同频轴承力减小到无超前校正时的20%,试验结果同频振动加速度减小到无超前校正时的28%,验证了该方法的有效性。     

基于转矩补偿的双电机驱动消隙控制系统

针对齿轮传动中存在的齿隙非线性,以双电机驱动作为消除齿隙的实现方式,从控制器设计的角度出发,根据所需消隙转矩与负载转矩、运动速度和加速度之间的关系,设计了实时消隙转矩补偿控制器实现系统完全消隙。理论分析和仿真研究结果表明,相对于定常消隙转矩补偿,实时消隙转矩补偿控制器能以较小的控制能量实现系统完全消隙。     

基于平均功率平衡控制的磁悬浮分子泵电力失效补偿方法

高速磁悬浮涡轮分子泵（Turbo Molecular Pump, TMP）因其高能量密度、微振动、无需润滑等优点被广泛应用于工业领域,但外部电源失效时,高速转子跌落后与保护轴承产生剧烈撞击和摩擦,将给系统带来致命损害。针对以上问题,提出一种基于平均功率平衡法的电力失效补偿控制（Power Failure Compensation Control, PFCC）方法。首先,设计电机能量回馈电路;其次,对Buck-Boost变换器进行数学建模,设计一种双环非线性控制器,其中电流内环使用滑模控制,电压外环使用平均功率平衡控制（Average Power Balance Control, APBC）,并利用Lyapunov函数推导出系统的稳定性条件;最后,通过搭建磁悬浮分子泵PFCC实验平台,对所提出的方法进行实验验证。结果表明：本文所提出的方法具有快速响应和输出鲁棒性,磁悬浮转子由额定转速21000 r/min降至3900 r/min时跌落,电机能量转化效率为96.6%,提高了磁轴承系统的安全性。     

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。     

基于预测函数控制和扰动观测器的永磁同步电机速度控制

设计了基于预测函数控制的速度控制器,以减小永磁同步电机的转矩波动,提高电机的转速控制精度。针对因外部扰动因素引起的控制器跟踪性能下降问题,设计了基于预测函数控制和扰动观测器的双环控制器;通过扰动观测器估计系统扰动,并据此产生转矩电流补偿量对控制量进行前馈修正,从而实现扰动的抑制。实验结果显示：当电机从静止跟踪到设定600 r/min转速时,系统没有超调,稳态精度为2 r/min;当电机以600 r/min稳速运行并加入1.6 N·m的转矩扰动时,转速最大波动为5 r/min。与传统的PI控制算法相比,所设计的控制器使转速波动减小了4.2% 。仿真分析和实验数据表明：基于预测函数控制和干扰观测器的控制器能够有效地抑制扰动,提高系统转速跟踪精度。