控制力矩陀螺
控制力矩陀螺是一种通过改变角动量方向来调整航天器姿态和抑制干扰的姿控执行机构，主要由高速转子系统和框架伺服系统组成。根据所采用轴承的支承类型，可以被分为机械控制力矩陀螺和磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)。
主题关键词： 惯性器件陀螺控制力矩
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磁悬浮控制力矩陀螺高速转子的高精度位置控制
摘要：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。关键词：磁悬浮控制力矩陀螺;磁悬浮转子;高精度位置控制;滑模控制;神经网络379|840|1<HTML><网络PDF><Meta-XML>更新时间：2023-04-18双框架控制力矩陀螺框架系统的扰动观测及抑制
摘要：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°。关键词：控制力矩陀螺;框架伺服系统;非线性控制;扩张状态观测器;滑模控制器;干扰抑制468|23|1更新时间：2020-07-16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
摘要：摘要：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12 000 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。关键词：磁悬浮控制力矩陀螺;永磁无刷直流电机;涡流损耗;有限元;热分析562|747|5<HTML><网络PDF>更新时间：2020-08-13双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的扰动抑制
摘要：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。关键词：双框架磁悬浮控制力矩陀螺;框架角速率伺服控制;谐波减速器;扰动观测器;自适应反步法565|11|4更新时间：2020-08-13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
摘要：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。关键词：磁悬浮;控制力矩陀螺;损耗计算;热场分析;有限元分析584|422|6<HTML><网络PDF>更新时间：2020-07-05磁悬浮控制力矩陀螺锁紧机构可靠性设计及优化
摘要：鉴于传统确定性优化方法没有考虑结构参数的随机性对结构性能的影响，本文提出了一种基于可靠性灵敏度的锁紧弹片结构优化方法。首先，以某磁悬浮控制力矩陀螺锁紧弹片为研究对象，研究了有限元建模和失效模式；然后，考虑弹片结构尺寸和材料参数的随机性，结合响应面法与一次二阶矩法，研究了串联失效模式下弹片的可靠度计算方法，进而推导了可靠性关于设计变量均值和方差的灵敏度计算公式；最后，根据灵敏度分析结果，研究确定了弹片结构优化策略，构建了弹片可靠性优化模型。分析了安全系数法和可靠性法优化结果的差异，结果表明：与安全系数法相比，可靠性法的优化结果更好；在保证弹片可靠度的前提下，采用可靠性优化方法不仅使弹片质量下降了23.71%，使锁紧机构更加优化，而且使陀螺房质量也下降了0.98 kg，有利于磁悬浮控制力矩陀螺整机结构的轻量化。关键词：力矩蛇螺;锁紧机构;响应面;一次二阶矩;可靠性灵敏度;轻量化413|718|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-07-05控制力矩陀螺干扰传递模型的分析与实验研究
摘要：控制力矩陀螺（CMG）的振动干扰会对航天器姿态控制精度和稳定度产生不利的影响，目前尚缺乏有效的方法对其进行数学建模及分析。本文根据CMG系统中高速转子和低速组件两部分结构差异较大、难以用统一的方法进行数学建模的特点，提出了一种将解析建模和试验辨识相结合的系统建模方法来研究CMG的干扰传递模型，并进行了试验验证。试验结果表明：本文所建立的干扰传递模型准确无误，同时验证了“高速转子的不平衡振动是CMG高频抖动产生的主要源头”这一重要结论。关键词：控制力矩陀螺;高速转子;低速组件;试验辨识;干扰特性403|416|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-07-07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
摘要：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10 Hz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。关键词：双框架磁悬浮控制力矩陀螺;磁轴承;负载力矩;角速率前馈;力矩观测;复合补偿313|669|0<HTML><网络PDF><Meta-XML>更新时间：2020-08-12磁悬浮控制力矩陀螺框架系统谐波减速器的迟滞建模
摘要：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。关键词：双框架磁悬浮控制力矩陀螺;谐波减速器;迟滞特性;Preisach模型356|1025|0<HTML><网络PDF><Meta-XML>更新时间：2020-08-13积分反馈自抗扰控制力矩陀螺框架伺服系统设计
摘要：设计了永磁同步电机直驱的控制力矩陀螺(CMG)框架伺服系统,并提出积分反馈自抗扰控制(ADRC)伺服跟踪算法用于实时跟踪CMG操纵律输出的框架角速度指令。首先,采用电机轴电流id=0的矢量控制策略建立了CMG框架伺服系统的数学模型;然后,分析摩擦力矩和齿槽力矩对CMG框架伺服系统性能的影响,并在Matlab中搭建速度环采用ADRC的框架伺服仿真系统;最后,对框架伺服系统的速度环分别采用模糊PI、ADRC、积分反馈ADRC算法进行实验。实验结果表明:采用积分反馈ADRC算法跟踪0.1~2.0 rad/s时,稳态精度为0.005~0.012 rad/s;跟踪0.0~0.1 rad/s时,稳态精度为0.001~0.005 rad/s,临界爬行速度为0.003 rad/s;跟踪2sin(t) rad/s速度曲线时,幅值误差为0.55%,相位滞后0.09978 rad。结果满足CMG框架伺服系统精度高、鲁棒性强的要求。关键词：控制力矩陀螺;永磁同步电机;矢量控制策略;自抗扰控制;积分反馈274|765|0<HTML><网络PDF><Meta-XML>更新时间：2020-08-12
