[发明专利]一种测定磁悬浮控制力矩陀螺径向磁轴承刚度特性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测定磁悬浮控制力矩陀螺径向磁轴承刚度特性的方法，可以用于磁悬浮控制力矩陀螺等具有陀螺效应的磁悬浮转子系统径向磁轴承刚度特性的测试，为该类磁悬浮转子系统设计高稳定性高精度控制器提供必要条件。

背景技术

控制力矩陀螺是空间站等大型航天器进行姿态控制所必需的关键执行机构。它由高速转子系统和框架伺服系统组成，高速转子形成角动量，框架强制高速转子进动，输出陀螺力矩用于调整航天器姿态。高速转子支承是控制力矩陀螺的关键部件，通常有机械滚珠轴承支承和磁轴承支承两种方式，相应的控制力矩陀螺分别称为机械控制力矩陀螺和磁悬浮控制力矩陀螺。机械控制力矩陀螺的支承系统存在的问题包括：(1)由于转子转速较高，机械轴承负荷较大，容易磨损而影响轴承寿命，附带的润滑系统也会降低可靠性；(2)机械轴承为刚性支承，转子的不平衡振动较大，不仅影响轴承使用寿命，而且刚性滚珠轴承将转子不平衡振动完全传递给框架和航天器，降低了控制力矩陀螺的输出力矩精度，且对航天器的微重力、低噪声环境造成污染；(3)局限于磨损和振动导致的轴承寿命问题，陀螺转子转速不可能很高，相同角动量需要较大的转子转动惯量，增大了航天器的载荷负担。相比之下，磁悬浮支承具有无接触无摩擦，不需要润滑的优点，完全消除磨损，可以大幅度提高控制力矩陀螺的工作寿命；振动主动可控，可对高速转子实现隔振，不仅消除了不平衡振动对框架速率稳定度的影响，而且避免了对航天器本体的振动干扰；可以大幅度提高转子转速，相同角动量情况下有利于降低控制力矩陀螺的体积。因此，磁悬浮控制力矩陀螺是长寿命高精度航天器姿态控制的理想执行机构。

磁悬浮控制力矩陀螺的高速转子部分是一个典型的磁悬浮转子系统。对于转子的六个自由度，除了由转子电机驱动的自转自由度外，其它五个自由度由磁轴承支承，包括一个通道的轴向磁轴承和四个通道的径向磁轴承，共同实现转子与定子之间无接触、无摩擦和无磨损的稳定悬浮。在五个自由度中，轴向运动稳定性与转速无关，而径向运动存在陀螺效应导致的进动和章动分量，且运动稳定性随转速升高而下降，使得径向磁轴承成为决定磁悬浮高速转子稳定性的主要因素。为了设计径向通道的高稳定性控制律，必须掌握径向磁轴承参数，其中最主要的是磁轴承的电流刚度和位移刚度。

磁轴承本质上都是非线性的，电流刚度和位移刚度均为磁轴承绕组电流和转子位移的非恒值函数，且当电流或位移显著变化时刚度值也显著变化。从径向运动稳定性设计的需求出发，对刚度特性需要掌握的精细程度取决于磁悬浮转子系统实际运行时位移和电流的变化范围。对于磁悬浮控制力矩陀螺，一方面由于存在动框架效应，框架转动后径向磁轴承电流随框架转速升高而显著上升；另一方面，由于采取了高精度前馈补偿措施，框架转动时转子仍然悬浮在零位移小邻域内，即转子径向位移变化极小且趋于零，但绕组电流变化范围很大，因而须且只须掌握转子位移为零时电流刚度和位移刚度随电流变化的特性。

获取磁轴承刚度参数的方法主要有两大类：(1)理论计算方法；(2)测试方法。理论计算方法包括有限元磁场计算法和简化磁路计算法。由于电磁材料参数与加工工艺密切相关且变化范围较大，导致理论计算方法的精度较低，实际工作中通常还要采用测试方法加以检验并以测试结果为准。磁轴承刚度特性的现有测试方法包括加载法、重力法、辨识法、频率响应法等。加载法需要设计专门的力学加载和测量设备，不仅结构复杂，而且不适用于高转速情形，而磁悬浮高速转子的电涡流效应也会影响刚度特性；重力法只能测出固定电流下的电流刚度和位移刚度值，无法得出磁轴承刚度与不同电流之间的关系；辨识法的主要困难在于非线性辨识算法仍然不成熟，电流变化范围较大时甚至无法辨识；频率响应法需要外加足够大的激励信号，可能造成悬浮不稳定，对磁悬浮控制力矩陀螺的高速转子而言风险较大。可以看出，现有测试方法均不适用于磁悬浮控制力矩陀螺径向磁轴承刚度特性的测试。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的缺陷，提供一种简便实用的测定磁悬浮控制力矩陀螺径向磁轴承刚度特性的方法，为磁悬浮转子系统高稳定性高精度控制器的设计提供必要条件。

本发明的技术解决方案是：一种测定磁悬浮控制力矩陀螺径向磁轴承刚度特性的方法，在径向给定分别为零位移、正位移、负位移下以不同转速转动框架，测量框架转速和径向悬浮电流，由框架转速算出径向磁轴承力；由轴承力-电流数据拟合得到的轴承力-电流函数；由轴承力-电流函数计算出径向磁轴承电流刚度和位移刚度关于电流的特性。具体包括以下步骤：