六自由度磁悬浮隔振系统及其力学特性研究

发布时间：2018-12-26 15:14

【摘要】：近年来航天技术飞速发展,人类对宇宙的探索不断深入,利用空间微重力环境进行的科学活动越来越多,如深空探测、激光通讯、空间科学实验等。而航天器会受到太阳光压、大气阻力、变轨、姿态调整、航天器内设备振动等各种扰动的影响,这些低频微幅振动成为影响空间高分辨率对地成像精度、重力梯度测量精度以及空间站科学实验结果的首要因素。目前我国尚没有研制出能直接应用的空间低频微振动隔离装置,相关研究还处于起步阶段,有很多关键性技术亟待突破。本文首先从机械系统、感知系统以及控制系统三个方面提出了六自由度磁悬浮隔振系统总体方案设计流程。利用非接触式的主动控制方法,基于洛伦兹力原理,以满足电气系统电流分辨率的力常数为校核指标,以磁感应强度最大以及线圈质量、热耗最小为优化目标,优化了永磁体和线圈的尺寸,设计了满足作动力需求的轻质量、低热耗、线性度较好的作动器结构。开展了六自由度磁悬浮隔振平台构型设计,进行了多个作动器空间布局设计,建立了用于控制的力、力矩与电流分配模型,获得了浮动平台与作动器之间的映射关系。基于加速度计和位置传感器的测量原理,研究了加速度计和相对位置传感器的布局方式,建立了系统的六自由度绝对加速度和六自由度相对位姿测量模型,为振动控制过程中有效信息的获取提供了理论基础。研究了磁悬浮隔振系统柔性线缆的振动传递特性。考虑线缆的柔性、大变形特性,基于弹性细杆的力学模型,建立了柔性线缆的多自由度非线性力学模型。采用微分求积算法求解了线缆受到正弦扰动作用下传递到端部的扰动力和扰动力矩,获得了扰动力、扰动力矩与扰动参数之间的关系,并拟合出线缆的等效动力学模型。分析了不同扰动频率、不同扰动幅值以及不同初始构型对传递到线缆端部的扰动力和扰动力矩的影响,研究了线缆等效动力学模型的适用性。设计了包含线缆位姿调整模块、激励模块和采集模块的线缆动态特性测试装置,验证了线缆的非线性力学模型的正确性以及通过拟合的方法获取线缆的等效动力学模型是准确可行的。融合线缆的等效动力学模型、作动器的力电磁模型,建立了面向控制的六自由度磁悬浮隔振系统非线性动力学模型。由于系统具有非线性、宽频带的特点,基于采集系统获得的浮动平台的绝对加速度信息以及浮动平台与基座之间的相对位姿信息,提出了双闭环控制策略,设计了相对运动状态控制器和绝对运动状态控制器。分别采用了线性PID控制算法和非线性滑模控制算法设计两种控制器,在MATLAB/SIMULINK环境下开发了六自由度控制系统仿真程序,通过仿真实现了系统对不同种类扰动的隔振控制功能以及对低频扰动的跟踪控制功能,为系统试验提供了理论指导。研制了六自由度磁悬浮隔振系统原理样机。采用6个三轴加速度计和4个位置传感器,通过多通道数据采集卡实现信号采集与处理,利用运动控制卡和音圈电机驱动器实现作动器驱动。分别进行了作动器的驱动特性测试、加速度测量模型验证、相对位置测量模型验证、系统动力学模型验证、系统六自由度相对位姿动态响应测试、系统对直接扰动的抑制能力测试以及系统对间接扰动的隔振能力测试。试验结果验证了样机的功能以及本文的理论分析结果。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB535.1

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本文编号：2392308