CN106644535B - 一种姿控系统全物理仿真用三自由度磁浮台 - Google Patents

Abstract

一种姿控系统全物理仿真用三自由度磁浮台，包括负载平台、磁轴承组、支承基座三个模块。负载平台上放置姿控系统的各种单机。磁轴承组给负载平台提供三个自由度的可控磁力，悬浮负载平台，使其在三个转动方向上自由运动。支承基座模块使给非悬浮状态下的负载平台提供支承和保护作用。本发明使用磁轴承悬浮负载平台，可以在真空、高低温环境下进行姿控系统全物理仿真，使姿控系统全物理仿真更接近太空环境。本发明设计了一种三自由度全解耦磁悬浮轴承分布结构，实现对负载平面三自由度平动控制力的同时，不产生转动力矩，同时消除了气浮台的气流扰动，并且可以主动隔离振动，提高了全物理仿真的精度。本发明适用于对小卫星进行三自由度全物理仿真。

Description

一种姿控系统全物理仿真用三自由度磁浮台

技术领域

本发明涉及一种姿控系统全物理仿真用三自由度磁浮台，适用于对小卫星进行三自由度全物理仿真，具有全物理仿真真空环境、高低温环境的能力。

背景技术

航天器姿控系统全物理仿真平台用以在地面上模拟太空环境下的航天器运动，其上搭载航天器上使用的单机。全物理仿真比数学仿真更接近航天器实际运行环境、精度更高，且可以考察各单机对姿控系统性能的影响。航天器姿控系统全物理仿真对验证航天器控制系统方案设计的正确性、检验实际控制性能至关重要。

目前姿控系统全物理仿真平台主要采用气浮台形式。气浮台的气浮轴承喷射出高压气体产生反作用力用以平衡气浮台的重力，同时在气浮轴承与轴承窝之间形成一层气膜，使得气浮台可以模拟出外太空中微重力以及零摩擦的卫星运动。但是，气浮台具有以下不足：

(1)加工难度大：气隙大小只有10～20微米，对气浮轴承的球面粗糙度要求极高。

(2)扰动大：气浮轴承喷射出的高压气体会对负载端产生一定的气流扰动，这些扰动均降低物理仿真精度。

(3)无法模拟热真空环境：基于气浮台的全物理仿真需要在常温常压下进行。各单机的性能随温度、真空度等环境参数变化，会影响姿控系统的稳定度和精度。虽然各单机系统均经过热真空、热循环实现，但整个姿控系统在真空、高低温环境下的控制稳定性和精度无法进行全物理仿真。

李智斌,李明航,李健等发明了一种单轴全物理仿真磁浮台(CN200710064795.2)，将转台的框架轴用磁轴承悬浮，模拟一个自由度的零摩擦运动。但是，模拟航天器姿态控制需要三个自由度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种姿控系统全物理仿真用三自由度磁浮台，该系统用磁轴承悬浮负载仿真平台，实现对姿控系统的三自由度全物理仿真。消除了气浮台负载端无气流扰动，同时可实现主动隔振。可对整个姿控系统在真空、高低温环境下的控制稳定性和精度进行三自由度全物理仿真。

本发明的技术方案是：一种姿控系统全物理仿真用三自由度磁浮台，包括负载平台、磁轴承组和支承基座；负载平台上放置姿控系统的各种姿控系统单机；磁轴承组给负载平台提供三个自由度的可控磁力，悬浮负载平台，使其在三个转动方向上自由运动；支承基座给非悬浮状态下的负载平台提供支承和保护作用。

所述的负载平台为哑铃结构，包括支承球台、连接轴和负载面；支承球台位于中间位置，支承球台的球面粗糙度不超过10微米；连接轴有两个，均为圆筒形，两个连接轴的一端分别固定在支承球台的两个台面上，连接轴的中心轴通过支承球台的球心，并与支承球台的台面垂直；负载面有两个，为薄圆台形，两个连接轴的另一端分别固定在两个负载面上，负载面的中心轴与连接轴的中心轴重合；姿控系统单机固定在负载面上；连接轴中心轴放置有平衡块A，在负载面上平衡块B、平衡块C，调整平衡块A、平衡块B、平衡块C的位置，使支承球台的球心与负载平台的质心重合。

所述的磁轴承组包括三个独立的磁轴承，即第一磁轴承、第二磁轴承、第三磁轴承；三个磁轴承均固定到外部真空罐内壁顶端；每个磁轴承有N、S两个磁极，磁极端面均为球凹面，球面粗糙度不超过10微米；在悬浮支承球台的情况下，各磁极中心轴均通过支承球台的球心；磁轴承两磁极中心轴的中线为磁轴承中心轴，三个磁轴承中心轴两两垂直，给支承球台提供磁力，实现对负载平台的三自由度平动运动的悬浮解耦控制。

所述支承基座由圆柱台和三个万向轴承组成；圆柱台下部为圆柱状，固定到外部真空罐内壁低端；圆柱台上部有三个斜台面，斜台面以圆柱台顶端圆面圆心为中心，相隔120度圆周分布，斜台面顶端法线通过支承球台的球心，斜台面与圆柱台顶面夹角为35.3度；三个万向轴承固定在斜台面上，万向轴承与负载平台球面三个接触点之间的距离为支承球台半径的倍；支承基座上端面外沿嵌入橡胶圈，对负载平台起到限位保护作用。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明使用磁轴承悬浮负载平台，可以在真空、高低温环境下进行姿控系统全物理仿真，使姿控系统全物理仿真更接近太空环境。本发明设计了一种三自由度全解耦磁悬浮轴承分布结构，实现对负载平面三自由度平动控制力的同时，不产生对负载平台的转动力矩，同时消除了气浮台的气流扰动，并且可以主动隔离负载和真空罐的振动，提高了全物理仿真的精度。

附图说明

图1为姿控系统全物理仿真用磁浮台结构框图；

图2为负载平台结构图；

图3为负载平台静平衡调整结构图；

图4为磁轴承分布俯视图；

图5为支承基座结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要包括三个模块：1、负载平台；2、磁轴承组；3、支承基座。负载平台上放置姿控系统的各种单机。磁轴承组给负载平台提供三个自由度的可控磁力，悬浮负载平台，使其在三个转动方向上自由运动。支承基座给非悬浮状态下的负载平台提供支承和保护作用。

如图2所示为负载平台结构图，负载平台为哑铃结构，包括支承球台、连接轴和负载面；支承球台位于中间位置，为球台体，支承球台的球面粗糙度不超过10微米；连接轴有两个，均为圆筒形，两个连接轴的一端分别固定在支承球台的两个台面上，连接轴的中心轴通过支承球台的球心，并与支承球台的台面垂直；负载面有两个，为薄圆台形，两个连接轴的另一端分别固定在两个负载面上，负载面的中心轴与连接轴的中心轴重合；姿控系统单机固定在负载面上。

图3所示为负载平台静平衡调整结构图，在连接轴的中心轴放置平衡块A，在负载面两垂直轴上放置平衡块B、平衡块C，用直线电机驱动平衡块A、平衡块B、平衡块C，调整其位置,使支承球台的球心与负载平台的质心重合。

图4所示为磁轴承组分布俯视图，磁轴承组包括三个独立的磁轴承，即第一磁轴承、第二磁轴承、第三磁轴承；三个磁轴承均固定到真空罐内壁顶端；每个磁轴承有N、S两个磁极，磁极端面均为球凹面，球面粗糙度不超过10微米；在悬浮支承球台的情况下，各磁极中心轴均通过支承球台的球心；磁轴承两磁极中心轴的中线为磁轴承中心轴，三个磁轴承中心轴两两垂直，给支承球台提供磁力，实现对负载平台的三自由度平动运动的悬浮解耦控制。

如图5所示为支承基座结构图。支承基座由圆柱台和三个万向轴承组成。圆柱台下部为圆柱状，固定到真空罐内壁低端；圆柱台上部有三个斜台面，斜台面以圆柱台顶端圆面圆心为中心，相隔120度圆周分布，斜台面顶端法线通过支承球台的球心，斜台面与圆柱台顶面夹角为35.3度。三个万向轴承固定在斜台面上，万向轴承与负载平台球面三个接触点之间的距离为支承球台半径的倍。支承基座上端面外沿嵌入橡胶圈，对负载平台起到限位保护作用。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种姿控系统全物理仿真用三自由度磁浮台，其特征在于：包括负载平台、磁轴承组和支承基座；负载平台上放置姿控系统的各种姿控系统单机；磁轴承组给负载平台提供三个自由度的可控磁力，悬浮负载平台，使其在三个转动方向上自由运动；支承基座给非悬浮状态下的负载平台提供支承和保护作用；所述的磁轴承组包括三个独立的磁轴承，即第一磁轴承、第二磁轴承、第三磁轴承；三个磁轴承均固定到外部真空罐内壁顶端；每个磁轴承有N、S两个磁极，磁极端面均为球凹面，球面粗糙度不超过10微米；在悬浮支承球台的情况下，各磁极中心轴均通过支承球台的球心；磁轴承两磁极中心轴的中线为磁轴承中心轴，三个磁轴承中心轴两两垂直，给支承球台提供磁力，实现对负载平台的三自由度平动运动的悬浮解耦控制；

所述的负载平台为哑铃结构，包括支承球台、连接轴和负载面；支承球台位于中间位置，支承球台的球面粗糙度不超过10微米；连接轴有两个，均为圆筒形，两个连接轴的一端分别固定在支承球台的两个台面上，连接轴的中心轴通过支承球台的球心，并与支承球台的台面垂直；负载面有两个，为薄圆台形，两个连接轴的另一端分别固定在两个负载面上，负载面的中心轴与连接轴的中心轴重合；姿控系统单机固定在负载面上；连接轴中心轴放置有平衡块A，在负载面上平衡块B、平衡块C，调整平衡块A、平衡块B、平衡块C的位置，使支承球台的球心与负载平台的质心重合；

所述支承基座由圆柱台和三个万向轴承组成；圆柱台下部为圆柱状，固定到外部真空罐内壁低端；圆柱台上部有三个斜台面，斜台面以圆柱台顶端圆面圆心为中心，相隔120度圆周分布，斜台面顶端法线通过支承球台的球心，斜台面与圆柱台顶面夹角为35.3度；三个万向轴承固定在斜台面上，万向轴承与负载平台球面三个接触点之间的距离为支承球台半径的倍；支承基座上端面外沿嵌入橡胶圈，对负载平台起到限位保护作用。