混合磁轴承飞轮系统设计与控制方法研究

论文摘要

磁轴承动量飞轮是一种新型的空间飞行器姿态控制执行机构,它采用磁轴承替代传统飞轮的滚珠轴承,消除了飞轮转子与定子的机械接触,能够有效地减小摩擦、抑制振动、提高转速,从而可以较大幅度地提高姿态控制系统的稳定度和指向精度。本文围绕永磁偏置型混合磁轴承动量飞轮这一具体的工程应用对象,从飞轮的构型设计、磁轴承结构设计与优化、结构参数与性能分析、转子运动分析、控制系统设计、控制方法及磁轴承飞轮实验测试等方面,进行了较为系统和全面的研究。首先,进行了磁轴承飞轮构型设计分析,广泛研究了各种磁轴承结构,分析了飞轮空间应用的限制和需求,确定了飞轮的永磁偏置型混合磁轴承结构形式,采用这种磁轴承支承设计了两轴型磁轴承反作用飞轮和四轴型磁轴承动量轮两种飞轮构型。针对飞轮混合磁轴承结构设计问题,基于等效磁路理论,提出了一种永磁偏置磁轴承工程化设计方法,进行了混合磁轴承永磁和电磁参数的设计与计算分析;提出了基于等效偏置电流的永磁偏置磁轴承磁力的线性化方法,方便磁轴承飞轮线性系统控制模型参数的确定;鉴于刚度对磁轴承性能的重要性,提出了一种基于刚度指标的磁轴承线性化设计方法,保证了系统的控制性能,具有较好的设计效果;并对磁轴承进行了结构参数与系统性能分析的研究,针对磁路磁阻的影响、控制器与结构参数的关系、控制线圈电流和磁力的响应速度等进行了理论分析,从系统性能的角度出发提出了一些结构参数的设计原则。其次,进行了磁轴承飞轮的结构优化设计研究,基于等效磁路的分析方法,考虑到空间应用的限制与要求,采用进化算法和模拟退火算法分别对混合磁轴承进行了永磁磁路质量、电磁磁路质量与磁轴承负刚度性能指标的优化设计研究,并对飞轮外转子进行了结构强度的优化设计。运用有限元数值计算方法,对混合磁轴承进行了三维磁场的有限元计算与分析,确定了永磁与电磁磁场的空间分布,检验了磁路设计方法的有效性。针对磁轴承的涡流损耗问题,对磁轴承具体结构进行了改进,并采用有限元方法进行了计算分析。考虑到飞轮高速运转下可能出现的结构失效问题,进行了飞轮转子的应力应变有限元分析。在磁轴承飞轮动力学运动分析方面,建立了四轴型磁轴承动量轮的动力学模型和两轴型磁轴承飞轮的控制系统模型。基于刚性磁轴承动量轮的运动方程,研究了其运动稳定性与临界转速等转子动力学基本问题,并进行了动量轮平动运动的耦合分析。在磁轴承飞轮的控制方法研究方面,首先进行了线性控制器设计,实现了磁轴承飞轮的稳定悬浮,设计了交叉反馈控制器实现了高速转动下的飞轮转子进动与章动抑制。其次,进行了非线性控制方法的应用研究,采用传统的变结构控制方法设计了磁轴承飞轮的变结构控制器,仿真表明了系统良好的控制特性。再次,将全滑模变结构控制方法应用于磁轴承动量轮系统,消除了系统的趋近运动段,进一步增强了被控对象的鲁棒性。最后,在综合结构设计与控制方法研究的基础上,进行了磁轴承飞轮相关实验研究。针对飞轮磁轴承结构参数与控制系统设计进行了相关的分析与测试,进行了飞轮静态、动态悬浮实验与真空降速实验等。实验测试结果表明设计的磁轴承飞轮样机达到了设计所要求的角动量、转速和阻滞力矩等性能指标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 磁轴承简介
• 1.1.2 磁轴承飞轮发展概况
• 1.1.3 本文的研究目的
• 1.2 相关研究的综述
• 1.2.1 磁轴承结构设计研究
• 1.2.2 磁轴承控制方法研究
• 1.3 论文主要工作与内容安排
• 第二章 磁轴承飞轮构型分析
• 2.1 引言
• 2.2 磁轴承结构设计概述
• 2.2.1 磁轴承系统的分类
• 2.2.2 磁轴承系统设计概述
• 2.3 空间用磁轴承飞轮构型分析
• 2.3.1 空间应用的磁轴承飞轮构型设计原则
• 2.3.2 空间应用的磁轴承飞轮构型选择
• 2.4 磁轴承飞轮构型
• 2.4.1 两轴型混合磁轴承飞轮构型
• 2.4.2 四轴型混合磁轴承飞轮构型
• 2.4 小结
• 第三章 基于磁路理论的混合磁轴承设计研究
• 3.1 引言
• 3.2 混合磁轴承永磁静态磁路设计
• 3.2.1 永磁静态磁路设计方法
• 3.2.2 磁路系数计算
• 3.2.3 永磁动态磁路计算
• 3.2.4 磁轴承力位移系数和力电流系数
• 3.3 两轴型混合磁轴承被动稳定性分析
• 3.3.1 混合磁轴承轴向被动刚度
• 3.3.2 混合磁轴承径向转动被动刚度
• 3.4 电磁参数设计
• 3.4.1 电磁线圈结构设计
• 3.4.2 电磁参数计算
• 3.5 混合磁轴承设计实例
• 3.6 小结
• 第四章 基于等效偏置电流的混合磁轴承设计与分析研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于等效偏置电流的混合磁轴承磁力线性化方法
• 4.2.1 等效偏置电流法
• 4.2.2 实例计算与分析
• 4.3 基于刚度指标的磁轴承设计方法
• 4.3.1 设计方法
• 4.3.2 设计步骤
• 4.3.3 径向电磁轴承设计实例
• 4.4 磁轴承结构参数与性能分析研究
• 4.4.1 铁磁材料磁阻对磁路计算的影响
• 4.4.2 控制器与结构参数的关系
• 4.4.3 控制线圈电流和磁力的响应速度
• 4.5 小结
• 第五章 混合磁轴承飞轮结构优化设计研究
• 5.1 引言
• 5.2 混合磁轴承永磁磁路结构优化设计
• 5.2.1 混合磁轴承优化设计问题
• 5.2.2 优化问题数学描述
• 5.2.3 多目标进化算法简介
• 5.2.4 永磁磁路多目标优化设计实例与分析
• 5.3 混合磁轴承电磁磁路结构优化设计
• 5.3.1 混合磁轴承电磁磁路质量优化问题
• 5.3.2 电磁磁路质量优化数学描述
• 5.3.3 模拟退火算法介绍
• 5.3.4 电磁磁路质量优化设计实例
• 5.4 基于负刚度性能指标的混合磁轴承结构优化设计
• 5.4.1 结构优化设计模型
• 5.4.2 结构优化设计求解
• 5.5 磁轴承动量轮外转子结构优化设计
• 5.5.1 飞轮转子结构优化问题描述
• 5.5.2 结构优化数学模型
• 5.5.3 优化问题求解
• 5.6 小结
• 第六章 混合磁轴承飞轮磁场与结构的有限元分析
• 6.1 引言
• 6.2 磁轴承磁场有限元设计方法与分析
• 6.2.1 磁场有限元计算方法简介
• 6.2.2 磁轴承飞轮磁轴承的有限元设计方法
• 6.2.3 磁轴承飞轮磁轴承的有限元设计实例与分析
• 6.3 基于有限元磁场计算的结构改进
• 6.3.1 永磁偏置型磁轴承损耗分析
• 6.3.2 磁轴承缺口减小时的计算与分析
• 6.3.3 磁轴承缺口封闭时的计算与分析
• 6.4 磁轴承动量轮转子应力有限元分析
• 6.4.1 磁轴承动量轮转子应力分析简介
• 6.4.2 ANSYS 软件的静力学分析功能
• 6.4.3 磁轴承动量轮转子计算模型
• 6.4.4 磁轴承动量轮转子应力有限元计算与分析
• 6.5 小结
• 第七章 磁轴承飞轮系统动力学模型与运动特性分析
• 7.1 引言
• 7.2 磁轴承动量轮动力学模型研究
• 7.2.1 四轴型磁轴承动量轮动力学模型
• 7.2.2 两轴型磁轴承飞轮控制系统模型
• 7.3 磁轴承动量轮转子动力学分析
• 7.3.1 磁轴承动量轮转子动力学运动方程
• 7.3.2 磁轴承动量轮转子运动稳定性分析
• 7.3.3 不考虑陀螺效应的磁轴承动量轮运动特性分析
• 7.3.4 磁轴承动量轮转子临界转速与运动分析
• 7.3.5 利用传递矩阵法求解磁轴承动量轮的临界转速
• 7.4 磁轴承动量轮平动耦合运动研究
• 7.4.1 磁轴承飞轮平动运动方程
• 7.4.2 平动运动分析
• 7.5 磁轴承动量轮转子运动特性分析
• 7.5.1 动不平衡对磁轴承转子运动的影响
• 7.5.2 针对传感器输出研究的一些相关问题
• 7.6 小结
• 第八章 混合磁轴承飞轮线性控制器设计
• 8.1 混合磁轴承飞轮悬浮控制系统组成
• 8.1.1 控制系统组成
• 8.1.2 控制策略
• 8.2 系统等效模型分析
• 8.2.1 传递函数结构图
• 8.2.2 电磁铁与转子
• 8.2.3 位移转换
• 8.2.4 功率放大器
• 8.3 基于轴承刚度和阻尼特性的分散PD 控制器设计
• 8.3.1 刚度阻尼特性
• 8.3.2 设计实例
• 8.4 交叉反馈控制器的设计
• 8.5 小结
• 第九章 磁轴承飞轮变结构控制方法研究
• 9.1 引言
• 9.2 两轴型磁轴承飞轮的变结构控制
• 9.2.1 磁轴承飞轮控制系统模型
• 9.2.2 磁轴承飞轮变结构控制器设计
• 9.2.3 磁轴承飞轮系统变结构控制仿真
• 9.3 四轴型磁轴承动量轮的变结构控制
• 9.3.1 磁轴承动量轮的控制模型
• 9.3.2 磁轴承动量轮的变结构控制器设计
• 9.3.3 磁轴承动量轮的变结构控制设计实例
• 9.3.4 变结构控制器仿真研究与分析
• 9.4 四轴型磁轴承动量轮的全滑模变结构控制
• 9.4.1 全滑模变结构控制分析
• 9.4.2 全滑模变结构控制的设计
• 9.4.3 磁轴承动量轮的全滑模变结构控制仿真
• 9.5 小结
• 第十章 混合磁轴承飞轮设计实例及实验测试
• 10.1 两轴主动控制混合磁轴承飞轮设计
• 10.1.1 磁轴承结构设计
• 10.1.2 转子设计
• 10.1.3 控制器设计
• 10.2 四轴主动控制混合磁轴承动量轮设计
• 10.3 磁轴承飞轮实验测试
• 10.3.1 混合磁轴承电磁场测量
• 10.3.2 磁轴承飞轮的起浮响应测试
• 10.3.3 磁轴承飞轮动态运行测试
• 10.3.4 磁轴承飞轮的损耗力矩测试
• 10.4 小结
• 第十一章 结论
• 11.1 本文的主要研究成果
• 11.2 进一步的研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录 刚性转子的定点转动动力学方程推导