磁悬浮控制敏感陀螺转子系统在线动平衡方法

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作者 夏长峰 王小乐 +3 位作者 李智 蒋成伟 王卫杰 程富强 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期3417-3425,共9页

为改善磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)转子质量分布,减小转子偏转系统动不平衡振动,提出基于电流响应的磁悬浮转子在线动平衡方法。分析了磁轴承-转子系统的工作原理;确定了质量分布不平衡条件下转子几何轴与惯性轴间的关系模型,对转子静不... 为改善磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)转子质量分布,减小转子偏转系统动不平衡振动,提出基于电流响应的磁悬浮转子在线动平衡方法。分析了磁轴承-转子系统的工作原理;确定了质量分布不平衡条件下转子几何轴与惯性轴间的关系模型,对转子静不平衡和动不平衡进行了定量分析;在此基础上,提出利用洛伦兹力磁轴承(LFMB)线性特性的优势,采用二次修正法推导转子校正质量与控制电流间的关系式,对转子不平衡质量进行在线校正,进而改善转子质量分布,从根源上减小转子系统不平衡振动。在线动平衡实验结果表明:所提方法可将转子系统动不平衡振动峰值降低67.7%,验证了方法的有效性。 展开更多

关键词 磁悬浮控制敏感陀螺 洛伦兹力磁轴承 转子不平衡 在线动平衡 二次修正法

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磁悬浮敏感陀螺动力学建模与关键误差源分析 被引量：9

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作者 辛朝军 蔡远文 +2 位作者 任元 缪存孝 张立元 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第10期2048-2058,共11页

基于转子动力学构建了针对一种新型双球形包络面转子磁悬浮敏感陀螺(MSSG)动力学模型,并对陀螺关键误差源进行了理论分析。描述了磁悬浮敏感陀螺的结构特点与角速率测量原理,并分别建立了磁悬浮转子所受电磁力与电磁力矩数学模型,分析... 基于转子动力学构建了针对一种新型双球形包络面转子磁悬浮敏感陀螺(MSSG)动力学模型,并对陀螺关键误差源进行了理论分析。描述了磁悬浮敏感陀螺的结构特点与角速率测量原理,并分别建立了磁悬浮转子所受电磁力与电磁力矩数学模型,分析了转子微小平移与偏转对转子力学状态的影响机理,利用ANSYS软件得出的有限元仿真结果与模型计算结果基本吻合。在此基础上,从理论上对转子非球形误差和洛伦兹力磁轴承误差2种主要误差源进行了初步分析,给出了干扰力矩解析表达式。计算表明:转子非球形和洛伦兹力磁轴承中磁场分布不均是导致测量误差产生的主要因素。模型的构建可为磁悬浮敏感陀螺的优化设计与分析提供有效理论依据。 展开更多

关键词 磁悬浮敏感陀螺(mssg) 双球形包络面 洛伦兹力 非球形误差 误差源分析

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磁悬浮控制敏感陀螺转子前馈解耦内模控制 被引量：8

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作者 夏长峰 蔡远文 +2 位作者 任元 武登云 王英广 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第3期480-488,共9页

磁悬浮控制敏感陀螺以洛伦兹力磁轴承(LFMB)为力矩器驱动转子偏转。针对磁悬浮控制敏感陀螺转子径向转动自由度间存在耦合的问题以及转子偏转高精度快响应要求,提出一种前馈解耦内模控制方法。根据洛伦兹力磁轴承的工作原理建立了转子... 磁悬浮控制敏感陀螺以洛伦兹力磁轴承(LFMB)为力矩器驱动转子偏转。针对磁悬浮控制敏感陀螺转子径向转动自由度间存在耦合的问题以及转子偏转高精度快响应要求,提出一种前馈解耦内模控制方法。根据洛伦兹力磁轴承的工作原理建立了转子偏转动力学模型,并设计了前馈解耦矩阵实现转子径向偏转解耦,在此基础上,采用二自由度内模控制器(2-DOF IMC)对转子进行高精度快响应偏转控制。MATLAB仿真结果表明所提出的控制方法可有效实现对陀螺转子偏转的完全解耦,且转子偏转响应时间较交叉PID算法减少57.1%,受0.1sin(2πt)°正弦信号扰动影响产生的偏转波动幅值较交叉PID算法减少76%。 展开更多

关键词 磁悬浮控制敏感陀螺 洛伦兹力磁轴承(LFMB) 径向偏转 前馈解耦 二自由度内模控制

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磁悬浮控制敏感陀螺角动量包络分析

4

作者 杨洋 王卫杰 +2 位作者 汪洲 樊亚洪 薛乐 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第10期2061-2069,共9页

针对磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)空间应用问题,研究其多自由度角动量包络模型。依据MSCSG的机械结构,分析磁悬浮转子径向万向偏转特性,明晰MSCSG轴向一个自由度转子转速变化飞轮力矩和径向两自由度转子万向偏转陀螺力矩输出机理。基于洛... 针对磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)空间应用问题,研究其多自由度角动量包络模型。依据MSCSG的机械结构,分析磁悬浮转子径向万向偏转特性,明晰MSCSG轴向一个自由度转子转速变化飞轮力矩和径向两自由度转子万向偏转陀螺力矩输出机理。基于洛伦兹力磁轴承(LFMB)原理,分析径向偏转力矩与控制电流的线性关系,揭示MSCSG陀螺力矩高精度高带宽的优势。考虑转子径向偏角和轴向转速饱和问题,基于重构偏角和旋转矩阵构建MSCSG角动量包络模型。仿真分析了MSCSG径向偏转力矩高精度高带宽、轴向飞轮力矩高精度的特性。开展MSCSG偏转力矩高带宽性能测试,实验验证MSCSG能够输出大于100 Hz的径向偏转力矩。研究结果表明,MSCSG具有航天器高动态微振动抑制和高精度姿态控制的空间应用前景。 展开更多

关键词 磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG) 洛伦兹力磁轴承(LFMB) 角动量包络 力矩包络 高精度高带宽

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基于Meissner效应的超导磁悬浮陀螺仪研究 被引量：1

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作者 韩玉龙 向楠 《中国高新技术企业》 2017年第5期16-17,共2页

陀螺仪被广泛应用于海、陆、空等多个国防领域,经常被使用于惯性导航系统,可以说陀螺仪是惯性导航系统的核心敏感器。目前我国研究生产的陀螺仪的精度和稳定性还不够高,所以想要提高我国国防领域的导航等方面的能力,提高陀螺仪的精度是... 陀螺仪被广泛应用于海、陆、空等多个国防领域,经常被使用于惯性导航系统,可以说陀螺仪是惯性导航系统的核心敏感器。目前我国研究生产的陀螺仪的精度和稳定性还不够高,所以想要提高我国国防领域的导航等方面的能力,提高陀螺仪的精度是非常有必要的。 展开更多

关键词 陀螺仪 Meissner效应 超导磁悬浮陀螺仪 惯性导航系统 核心敏感器

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磁悬浮转子状态反馈解耦自抗扰控制方法 被引量：2

6

作者 尹增愿 蔡远文 +3 位作者 任元 王卫杰 陈晓岑 于春淼 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第7期1210-1221,共12页

针对磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)转子偏转通道强耦合及航天器姿态测量过程中受扰失稳问题,提出了一种磁悬浮转子偏转解耦抗干扰控制方法。分析了转子两自由度偏转耦合现象,设计了基于状态反馈的解耦控制器;建立了MSCSG在姿态测量过程中... 针对磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)转子偏转通道强耦合及航天器姿态测量过程中受扰失稳问题,提出了一种磁悬浮转子偏转解耦抗干扰控制方法。分析了转子两自由度偏转耦合现象,设计了基于状态反馈的解耦控制器;建立了MSCSG在姿态测量过程中航天器的姿态运动对磁悬浮转子产生的干扰力矩模型,采用自抗扰控制器(ADRC)抑制磁悬浮转子的外部干扰;对所建立的扩展状态观测器(ESO)跟踪性和系统稳定性进行了分析,通过调节ADRC中非线性状态误差反馈控制律系数,实现了系统有界输入条件下的稳定。仿真结果表明:状态反馈解耦能够实现偏转自由度的完全解耦,ESO具有良好的跟踪性能,ADRC较传统PID控制方法具有更好的抗干扰性能。 展开更多

关键词 磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG) 磁悬浮转子 姿态测量 状态反馈解耦 自抗扰控制(ADRC)

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一种新型陀螺的力矩器非圆性误差补偿方法

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作者 陈国越 王华 +1 位作者 任元 辛朝军 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第8期1755-1763,共9页

为提高磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)对陀螺载体姿态的敏感精度,基于其洛伦兹力磁轴承(LFMB)的设计结构,提出了一种力矩器非圆性误差补偿方法。首先,针对一种新型双球形包络面转子MSCSG,介绍了MSCSG的结构特点与陀螺载体姿态角速度敏感原理... 为提高磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)对陀螺载体姿态的敏感精度,基于其洛伦兹力磁轴承(LFMB)的设计结构,提出了一种力矩器非圆性误差补偿方法。首先,针对一种新型双球形包络面转子MSCSG,介绍了MSCSG的结构特点与陀螺载体姿态角速度敏感原理,并分别建立了MSCSG力矩器半径误差模型、转子偏转干扰力矩模型与陀螺载体姿态角速度敏感误差模型。其次,通过实验测量了力矩器的圆度,通过MATLAB进行数据拟合得到了力矩器的非圆特性,采用勒让德多项式级数对力矩器非圆性进行了描述,并有效补偿了因力矩器非圆性误差导致的姿态角速度敏感误差。最后,对误差补偿效果进行了仿真验证,结果表明该补偿方法使陀螺载体姿态角速度敏感误差降低了83.5%。此外,本文方法还可以解决LFMB陀螺的相关共性问题。 展开更多

关键词 磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG) 力矩器 洛伦兹力磁轴承(LFMB) 姿态角速度敏感 非圆性误差补偿

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洛伦兹力磁轴承磁密均匀度设计与分析 被引量：7

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作者 许国锋 蔡远文 +3 位作者 任元 樊亚洪 孙津济 赵航 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第3期559-566,共8页

新型磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)高速转子具有万向偏转特性,可输出高精度和高带宽的偏转控制力矩,用于抑制天基平台的周期性振动。MSCSG采用5自由度(DOF)全主动控制,其径向2个扭动DOF的偏转控制由洛伦兹力磁轴承(LFMB)实现。基于LFMB的... 新型磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)高速转子具有万向偏转特性,可输出高精度和高带宽的偏转控制力矩,用于抑制天基平台的周期性振动。MSCSG采用5自由度(DOF)全主动控制,其径向2个扭动DOF的偏转控制由洛伦兹力磁轴承(LFMB)实现。基于LFMB的基本构型,建立电磁力和电磁力矩的数学模型,并分析出气隙磁密均匀度是影响输出力矩精度和角速率测量精度的主要因素。介绍了LFMB的优化设计结构,通过有限元仿真分析,结果表明所设计LFMB通过在内外永磁体表面增加1J50导磁薄片,能够有效提高气隙磁密分布的均匀度,输出控制力矩更加精确,有利于提高控制精度;通过使用梯形永磁体提供更大的供磁面积提高气隙磁密强度以降低功耗,同时梯形永磁体在转子高速旋转时便于限位,保证稳定性。本文研究可为具有偏转特性的磁悬浮类转子陀螺的设计与分析提供有益参考。 展开更多

关键词 洛伦兹力磁轴承(LFMB) 均匀度 精度 偏转控制 磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)

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MSCSG转子不平衡振动原理分析与建模 被引量：8

9

作者 夏长峰 蔡远文 +3 位作者 任元 王卫杰 樊亚洪 尹增愿 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第11期2321-2328,共8页

磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)是一种新概念陀螺,采用洛伦兹力磁轴承为力矩器驱动转子径向偏转。针对MSCSG转子旋转过程中产生不平衡振动的问题,分析了不平衡振动产生原理,并建立了解析模型。首先,分析了MSCSG的工作原理。然后,确定了转子... 磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)是一种新概念陀螺,采用洛伦兹力磁轴承为力矩器驱动转子径向偏转。针对MSCSG转子旋转过程中产生不平衡振动的问题,分析了不平衡振动产生原理,并建立了解析模型。首先,分析了MSCSG的工作原理。然后,确定了转子不平衡条件下转子几何轴与惯性轴间的几何解析关系;推导了转子不平衡振动力矩数学模型,并对不平衡扰动量的能观性进行了判定;建立了包含振动源的磁轴承-转子控制系统模型,对闭环系统的不平衡振动产生机理进行了分析,并对不同转速下不平衡振动的响应特性进行仿真,仿真结果验证了所提出模型的正确性。最后,根据转子不平衡振动的特点提出了对其进行抑制的要求,为实现MSCSG转子不平衡振动控制奠定了理论基础。 展开更多

关键词 磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG) 洛伦兹力磁轴承 转子不平衡 能观性 振动建模

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MSCSG转子系统的扩展双频Bode图稳定性分析方法 被引量：6

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作者 夏长峰 蔡远文 +3 位作者 任元 樊亚洪 辛朝军 尹增愿 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第2期168-176,共9页

为分析洛伦兹力磁轴承驱动磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)转子偏转过程中的稳定性,针对现有双频Bode图稳定性判据方法仅适用于最小相位系统的不足,提出一种基于扩展双频Bode图的稳定性分析方法。根据洛伦兹力磁轴承工作原理建立了MSCSG转子... 为分析洛伦兹力磁轴承驱动磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)转子偏转过程中的稳定性,针对现有双频Bode图稳定性判据方法仅适用于最小相位系统的不足,提出一种基于扩展双频Bode图的稳定性分析方法。根据洛伦兹力磁轴承工作原理建立了MSCSG转子偏转系统动力学模型;通过变量重构,将实系数双输入双输出系统等效变换为复系数单输入单输出系统;在分析Nyquist曲线与Bode图关联性的基础上,提出针对非最小相位系统的扩展双频Bode图稳定性判据,对不同转速下MSCSG转子系统稳定性进行预测,并通过转速根轨迹曲线预测转子系统的转速稳定区间。所提出的扩展双频Bode图稳定判据结果与时域仿真校验结果相一致,验证了本文所提出的稳定性分析方法的正确性和有效性。 展开更多

关键词 磁悬浮控制敏感陀螺 洛伦兹力磁轴承 稳定性分析 扩展双频Bode图 根轨迹曲线

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基于逆系统解耦的MSCSG姿态测量方法 被引量：3

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作者 于春淼 汪洲 +2 位作者 任元 王卫杰 樊亚洪 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期150-158,共9页

磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)是一种将姿态控制和姿态测量功能合二为一的新型陀螺,采用洛伦兹力磁轴承(LFMB)控制转子径向偏转。针对MSCSG 2个测量轴之间存在耦合的问题,提出了一种基于逆系统解耦的测量方法。首先,分析了MSCSG的结构组成... 磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)是一种将姿态控制和姿态测量功能合二为一的新型陀螺,采用洛伦兹力磁轴承(LFMB)控制转子径向偏转。针对MSCSG 2个测量轴之间存在耦合的问题,提出了一种基于逆系统解耦的测量方法。首先,分析了MSCSG的结构组成,在此基础上建立了LFMB-转子系统动力学模型,推导了MSCSG陀螺进行两自由度姿态测量的工作原理;然后,分析了2个测量轴之间的耦合关系,进而提出采用逆系统对2个测量轴进行解耦。最后,对所提方法的有效性进行了仿真验证。仿真结果表明:在所提解耦方法作用下,2个测量轴之间的耦合效果得到了很好的抑制,测量精度得到了一定的提高。 展开更多

关键词 磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG) 洛伦兹力磁轴承(LFMB) 姿态测量 逆系统解耦 径向偏转

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MSCSG随机误差测试及误差源分析 被引量：3

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作者 耿梦梦 任元 +2 位作者 樊亚洪 王丽芬 于春淼 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第8期1697-1704,共8页

针对磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)的角速率测量信号中存在较大的随机误差,不利于提高MSCSG敏感精度,以MSCSG原理样机为研究对象,提出采用Allan方差分析法对MSCSG实测数据进行随机误差分析。首先,根据MSCSG角速率敏感原理推导出MSCSG转子... 针对磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)的角速率测量信号中存在较大的随机误差,不利于提高MSCSG敏感精度,以MSCSG原理样机为研究对象,提出采用Allan方差分析法对MSCSG实测数据进行随机误差分析。首先,根据MSCSG角速率敏感原理推导出MSCSG转子偏转角速率的量测公式;其次,应用Allan方差分析法和最小二乘拟合方法计算出5种典型随机误差系数。计算结果显示:在MSCSG随机误差中,零偏不稳定性、速率随机游走以及速率斜坡占主要成分,而量化噪声和角度随机游走误差所占比重较小。依此,对MSCSG误差来源进行了指向性分析,并给出了随机误差的抑制补偿方法,为MSCSG敏感精度的提高奠定了理论基础。 展开更多

关键词 磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG) 随机误差 Allan方差分析法 最小二乘拟合 误差补偿

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高精度球面洛伦兹力磁轴承设计与分析 被引量：1

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作者 傅百恒 王卫杰 +3 位作者 王元钦 樊亚洪 聂辰 贾海鹏 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第11期2222-2229,共8页

针对柱面洛伦兹力磁轴承(LFMB)偏角有限导致磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)力矩输出持续时间短和气隙磁密均匀度低影响控制敏感精度的突出问题,提出了一种高精度球面LFMB设计与分析方法。所设计的LFMB转子球面导磁套和定子球面绕组均与双球... 针对柱面洛伦兹力磁轴承(LFMB)偏角有限导致磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)力矩输出持续时间短和气隙磁密均匀度低影响控制敏感精度的突出问题,提出了一种高精度球面LFMB设计与分析方法。所设计的LFMB转子球面导磁套和定子球面绕组均与双球面陀螺转子同球心,气隙呈球壳状,保证转子偏转时定子绕组两侧气隙宽度不变,相较于柱面LFMB,转子可偏转角度由±0.6°扩大到±2°。利用等效磁路法推导了柱面与球面LFMB气隙磁密的数学解析模型,并基于ANSYS命令流构建了柱面与球面LFMB的有限元仿真模型。仿真结果表明:在转子可偏转范围内,沿偏转中心线,球面LFMB最大磁密较柱面下降了34.1%;当转子不偏转时,球面LFMB绕组截面内的磁密均匀度较柱面提高了11.6%;当转子偏转时,球面LFMB绕组截面内的磁密均匀度较柱面提高了17.7%。所提方法为磁悬浮控制敏感陀螺控制与敏感性能的提升奠定了基础。 展开更多

关键词 磁悬浮控制敏感陀螺 球面洛伦兹力磁轴承 磁密均匀度 等效磁路法 有限元分析

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基于ADRC和RBF神经网络的MSCSG控制系统设计 被引量：6

14

作者 李磊 任元 +1 位作者 陈晓岑 尹增愿 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第10期1966-1972,共7页

为了克服外部扰动突变对磁悬浮转子悬浮稳定度和磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)输出力矩精度的影响,提出了一种基于自抗扰控制器(ADRC)和径向基函数(RBF)神经网络相结合的MSCSG径向偏转控制方法。阐明了ADRC参数对MSCSG控制效果的影响,通过... 为了克服外部扰动突变对磁悬浮转子悬浮稳定度和磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)输出力矩精度的影响,提出了一种基于自抗扰控制器(ADRC)和径向基函数(RBF)神经网络相结合的MSCSG径向偏转控制方法。阐明了ADRC参数对MSCSG控制效果的影响,通过优化设计ADRC,并将RBF神经网络和ADRC结合运用,实现对控制器参数的实时调试,从而克服外界扰动突变的影响。仿真证明所提方法相较于单ADRC控制,不仅改善了解耦控制精度,而且提高了系统对外部扰动和参数变化的响应速度和鲁棒性,可应用于MSCSG的高精度、快响应、强鲁棒控制。 展开更多

关键词 磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG) 自抗扰控制器(ADRC) 自适应控制 径向基函数(RBF)神经网络 鲁棒控制

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