磁懸浮球形飛輪不平衡振動控制及穩(wěn)定性分析

1、磁懸浮球形飛輪不平衡振動控制及穩(wěn)定性分析磁懸浮球形飛輪作為一種新型航天器用姿控機(jī)構(gòu) , 同時具備姿控和檢測姿態(tài) 功能, 是航天器用于進(jìn)行高精度、高穩(wěn)定性姿控功能的理想選擇。磁懸浮球形飛 輪通過純電磁力磁軸承和洛倫茲力磁軸承進(jìn)行轉(zhuǎn)子徑 / 軸向平動控制和轉(zhuǎn)子徑向 偏轉(zhuǎn)控制 ,既降低了飛輪系統(tǒng)承重功耗 , 又提高了轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)控制精度 , 同時,球形 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)消除了轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)時氣隙變形導(dǎo)致的干擾力矩。 本文針對磁懸浮球形飛輪 主要的研究內(nèi)容如下 :(1) 為了將磁懸浮球形飛輪進(jìn)行轉(zhuǎn)子動力學(xué)建模 , 介紹了磁 懸浮球形飛輪的工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu) , 根據(jù)實(shí)際的磁懸浮球形飛輪機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行 坐標(biāo)系定義 , 從而

2、將磁懸浮球形飛輪各個關(guān)鍵部件的尺寸和位置關(guān)系進(jìn)行了簡化。在建立了磁懸浮球形飛輪軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)模型的同時 , 對動力學(xué)模型進(jìn) 行了矩陣化和公式化 , 通過轉(zhuǎn)換矩陣的形式將磁懸浮球形飛輪轉(zhuǎn)子磁軸承系統(tǒng)中 各個關(guān)鍵部件的位置和角度關(guān)系進(jìn)行了公式表述 , 從而得到了軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力 學(xué)模型對應(yīng)的動力學(xué)方程。 (2) 針對磁懸浮球形飛輪平動磁軸承和偏轉(zhuǎn)磁軸承進(jìn) 行數(shù)學(xué)建模 , 首先對轉(zhuǎn)子平動控制用純電磁磁軸承進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和原理分析 ,通過 推導(dǎo)軸承位移剛度和電流剛度 , 對平動控制磁軸承進(jìn)行了建模 , 其次是對轉(zhuǎn)子偏 轉(zhuǎn)控制用洛倫茲力磁軸承進(jìn)行結(jié)構(gòu)和原理分析 , 通過對比不同永磁體情況下的磁 密均勻性

3、 , 確定了梯形永磁體方案 , 并對其進(jìn)行了仿真分析和等效磁路搭建 , 從而 將磁軸承的磁通磁阻進(jìn)行了數(shù)學(xué)量化處理 ,完成了偏轉(zhuǎn)磁軸承建模。 (3) 針對磁懸 浮球形飛輪的轉(zhuǎn)子不平衡振動補(bǔ)償 , 提出了一種磁懸浮球轉(zhuǎn)子前饋補(bǔ)償控制方法。依據(jù)達(dá)朗伯原理 , 將轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量矩等效至轉(zhuǎn)子兩端配重面 ,得到了轉(zhuǎn)子 兩端的軸承動反力。 為維持球面磁極氣隙的球殼形狀 , 消除磁拉偏負(fù)力矩 , 將高速 轉(zhuǎn)子球心與定子球心始終重合。分析了轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn)軸引起的離心力 , 計算 了轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏離球心后 , 因電磁懸浮力始終指向轉(zhuǎn)子球心而引起的偏轉(zhuǎn)負(fù)力矩。 搭建磁懸浮球形飛輪的仿真系統(tǒng)模型 , 并編寫了仿真程序 , 基于此,對不同加 載順序下的前饋抑制環(huán)節(jié)進(jìn)行了仿真 , 確定了最佳抑制順序 , 完成了不平衡振動 仿真和實(shí)驗(yàn)研究。 (4) 針對磁懸浮球形飛輪系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究。首先針 對磁懸浮球形飛輪加工及裝配造成的系統(tǒng)中的機(jī)械誤差進(jìn)行了分析 , 其中包括轉(zhuǎn) 子研磨精度低導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時存在的非球形誤差 , 轉(zhuǎn)子形心、轉(zhuǎn)子質(zhì)心與 位移傳感器檢測中心三心不重合導(dǎo)致的安裝誤差 , 其次分析了磁懸浮球形飛輪控 制系統(tǒng)中因?yàn)榫仃嚭涂刂仆ǖ来嬖诘恼`差 , 包括傳感器測量值與轉(zhuǎn)子實(shí)際位移值 之間的矩陣轉(zhuǎn)換帶來的控制誤差 , 磁懸浮球形飛輪用洛倫茲力磁軸承偏轉(zhuǎn)控制通 道中存在