傳統(tǒng)機械飛輪由于定轉(zhuǎn)子之間存在接觸,有摩擦力大、功耗高、壽命短和噪聲大缺點。磁懸浮飛輪克服了傳統(tǒng)機械飛輪缺點,還具有主動振動控制和振動抑制的優(yōu)勢。磁懸浮框架飛輪通過偏轉(zhuǎn)磁軸承迫使高速轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn),改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向,輸出瞬間大力矩,驅(qū)動航天器平臺快速機動。新型磁懸浮陀螺飛輪同時具備框架飛輪的大控制力矩輸出和姿態(tài)敏感功能,即能利用偏轉(zhuǎn)磁軸承迫使高速轉(zhuǎn)子進動,輸出大力矩,也可通過偏轉(zhuǎn)磁軸承補償干擾力矩,敏感航天器姿態(tài)。新型磁懸浮陀螺飛輪的驅(qū)動電機和磁軸承的控制系統(tǒng)是其高精度力矩輸出和姿態(tài)敏感的保障,控制器的優(yōu)劣將直接影響到新型磁懸浮陀螺飛輪的運行狀態(tài)。本文以新型磁懸浮陀螺飛輪為研究對象,對新型磁懸浮陀螺飛輪的驅(qū)動電機和磁軸承控制系統(tǒng)進行了設(shè)計,從以下四個方面進行了深入研究。(1)介紹了新型磁懸浮陀螺飛輪的總體結(jié)構(gòu),新型磁懸浮陀螺飛輪的結(jié)構(gòu)對于搭建的控制系統(tǒng)性能好壞有很大的影響。磁軸承和驅(qū)動電機作為被控對象,對其進行了詳細的介紹,說明了其工作原理,建立了控制模型,為其高精度驅(qū)動做了鋪墊。(2)針對新型磁懸浮陀螺飛輪高精度轉(zhuǎn)速控制的要求,對飛輪電機進行了分析,得到了轉(zhuǎn)速誤差的兩個主要來源:一是電機本體結(jié)構(gòu),二是電機換相。重點對本體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的誤差進行了分析,提出了基于磁場測量的磁鋼修正方案,設(shè)計了基于霍爾原理的磁場均勻性測量裝置。最后,在搭建的裝置上進行了磁場測量實驗,實驗證明:該裝置能夠?qū)Υ艌鼍鶆蛐赃M行測量,對電機磁鋼裝配具有很好的參考作用,提高驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速精度。(3)針對高速驅(qū)動電機調(diào)速范圍廣、精度要求高的特點,提出了基于模糊自適應(yīng)PI控制器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)算法。以新型磁懸浮陀螺飛輪驅(qū)動電機為對象,設(shè)計了一套以DSP為控制核心的電機驅(qū)動器,完成了驅(qū)動器的原理圖設(shè)計和PCB布線。最后,編寫了電機轉(zhuǎn)速控制代碼,并在設(shè)計的驅(qū)動器上實現(xiàn)了速度調(diào)節(jié),通過對采集的霍爾信號和反電動勢的波形進行分析,結(jié)果表明,該驅(qū)動器和算法可較好的實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制。(4)磁軸承控制系統(tǒng)是一個多通道、高集成的控制系統(tǒng),但由于單獨的DSP因為資源有限不能滿足該控制需求。因此,根據(jù)實際需求,設(shè)計了一種基于DSP+FPGA構(gòu)型的集成化、低功耗的磁軸承數(shù)字控制系統(tǒng),并完成了原理圖設(shè)計和PCB布線。磁軸承控制系統(tǒng)整體架構(gòu)是由控制芯片讀取轉(zhuǎn)子位移傳感器的位置信號,獲取轉(zhuǎn)子的位置,輸出數(shù)字量,控制D/A芯片輸出控制電壓,經(jīng)過線性功放放大后完成位置閉環(huán)。其中,FPGA負(fù)責(zé)整體時序控制,驅(qū)動A/D和D/A芯片,DSP完成磁軸承控制的位置閉環(huán)算法。最后,完成了磁軸承控制系統(tǒng)的搭建,并對其進行了實驗驗證。
【學(xué)位單位】：北京石油化工學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH133.7
【部分圖文】：

圖 1-1 SPOT-5 所用磁懸浮反作用飛輪agnetic suspension reaction flywheel used0 年代，在日本航空宇宙技術(shù)研究所

圖 1-3 ISAS 磁懸浮動量輪ig.1-3 ISAS magnetic suspension momentum wh年代開始，美國在空軍和 NASA 的支持

圖 1-3 ISAS 磁懸浮動量輪AS magnetic suspension mome始，美國在空軍和 NASA，主要應(yīng)用方向為衛(wèi)星平磁懸浮姿控/儲能飛輪如圖應(yīng)用方向為空間站的姿態(tài) 90 年代進行了基于球形的控制與儲能[28]。美國的 Go反作用飛輪的研制，計間觀測任務(wù)[29-31]。

【參考文獻】

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本文編號：2808257