CN109143861A - 一种基于力矩器的变速倾侧动量轮系统主动振动抑制方法 - Google Patents

一种基于力矩器的变速倾侧动量轮系统主动振动抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于力矩器的变速倾侧动量轮系统主动振动抑制方法，涉及转子振动抑制领域。本发明为了解决经过动平衡的变速倾侧动量轮依然有残留不平衡的问题，以及现有动平衡技术仅能抑制转子质量分布不均引起的倾侧振动等问题。由公式可知，变速倾侧动量轮的转子倾侧角输出φ与力矩输入T呈正比例关系，倾侧角输出φ与转速平方ω2呈近似反比例关系，利用公式(1)在不同转速条件下确定所需施加的校正力矩的幅值和相位，然后利用力矩器对转子施加实时校正力矩，以实现对变速倾侧动量轮的主动振动抑制。本发明方法利用力矩器对转子施加精准的作用力矩，可以有效抑制残留不平衡和多种不理想因素叠加作用引起的倾侧振动一倍频成分。

Description

一种基于力矩器的变速倾侧动量轮系统主动振动抑制方法
技术领域
本发明涉及转子振动抑制领域，特别涉及变速倾侧动量轮转子倾侧的主动振动抑制方法。
背景技术：
变速倾侧动量轮是一种新型姿态控制和姿态敏感装置，集成了变速双框架控制力矩陀螺和动力调谐陀螺的功能，通过控制一个扁平转子角动量的大小和方向，同时实现三维控制力矩输出和两维姿态角速率测量，可以极大的减小姿态控制系统的体积、质量、功耗和成本，提高系统的集成度，因此，变速倾侧动量轮适用于微小航天器的姿态控制。
三维控制力矩输出和两维姿态角速率测量的特殊功能，对变速倾侧动量轮的倾侧运动控制精度提出更高要求。但在实际系统中，变速倾侧动量轮转子的倾侧角信号常混有一倍频、二倍频、进动和章动等成分，进动和章动成分是陀螺效应引起的固有频率特性，二倍频成分是平衡环引起的频率特性，一倍频成分是由转子不平衡、内外挠性轴和驱动轴彼此不正交、不共面等不理想因素引起的频率特性，其中，转子不平衡是主要因素，即转子质量分布不均匀，在高速运行时倾侧角信号伴随一倍频振动，影响变速倾侧动量轮正常工作。因此，需要对变速倾侧动量轮进行动平衡，来提高变速倾侧动量轮的三维控制力矩输出和两维姿态角速率测量精度。
考虑现有动平衡技术，仍有以下问题需要解决：1、经过动平衡的变速倾侧动量轮依然有残留不平衡；2、现有动平衡技术仅能抑制转子质量分布不均引起的倾侧振动，无法改变加装过程中不正交、不共面等不理想因素引起的倾侧振动。因此，需要进一步研究倾侧振动的抑制问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
本发明为了解决经过动平衡的变速倾侧动量轮依然有残留不平衡的问题，以及现有动平衡技术仅能抑制转子质量分布不均引起的倾侧振动，无法改变加装过程中不正交、不共面等不理想因素引起的倾侧振动的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种基于力矩器的变速倾侧动量轮系统主动振动抑制方法，变速倾侧动量轮系统的力矩线圈是两轴正交分布的矩形线圈，固定在圆筒形薄壁骨架上，与永磁体共同作用构成力矩器；在力矩线圈通以电流，对转子施加径向控制力矩，实现对转子的倾侧运动控制；
变速倾侧动量轮系统具有如下近似关系，
其中，Irs为转子轴向转动惯量，Irt为转子径向转动惯量，T为力矩输入，φ为转子倾侧角输出，ω为转子转速；
由公式(1)可知，变速倾侧动量轮的转子倾侧角输出φ与力矩输入T呈正比例关系，倾侧角输出φ与转速平方ω2呈近似反比例关系，利用公式(1)在不同转速条件下确定所需施加的校正力矩的幅值和相位，然后利用力矩器对转子施加实时校正力矩，以实现对变速倾侧动量轮的主动振动抑制。
利用公式(1)在不同转速条件下确定所需施加的校正力矩的幅值和相位，然后利用力矩器对转子施加实时校正力矩，以实现对变速倾侧动量轮的主动振动抑制，具体过程如下：
步骤一、以转子的支撑中心O为坐标原点，根据右手定则，定义沿转子中心轴向上方向为z轴，定义力矩线圈施加作用力矩的两轴分别为x轴和y轴，
在变速倾侧动量轮转子x轴施加力矩为同时在y轴施加力矩为等效为在变速倾侧动量轮转子相位处施加力矩Ti j，该力矩随转子共同旋转，其中i＝1,2,…,N，N为施加力矩总次数，N≥3；使变速倾侧动量轮在倾侧回路开环条件下以恒定转速ωj稳定运行，j＝1，利用倾侧传感器测得绕x轴倾侧角信号，并采用快速傅里叶变换对倾侧角信号进行处理，得到倾侧角一倍频幅值为
步骤二、根据倾侧角输出与力矩输入的近似关系，列写方程如下，
其中，c为影响系数，和θ0表示变速倾侧动量轮在转速为ωj时原始倾侧振动等效力矩的幅值和相位，即在变速倾侧动量轮转子θ0相位施加力矩由该力矩激励产生的倾侧角输出与变速倾侧动量轮原始倾侧振动一致；
由于公式(2)为超定方程组，利用最小二乘法，以残差平方和最小为标准确定和θ0；
步骤三、无力矩作用情况下，使变速倾侧动量轮闭环跟踪倾侧角指令φcmd，并以恒定转速ωj稳定运行，计算得到倾侧角一倍频幅值为在变速倾侧动量轮x轴和y轴分别施加作用力矩和使其在闭环跟踪倾侧角指令φcmd条件下以恒定转速ωj稳定运行，计算得到倾侧角一倍频幅值为
步骤四、对比和如果表明转速为ωj时变速倾侧动量轮的主动振动有抑制效果，然后执后步骤五；否则改变Ti j的大小重复步骤一至三直至
步骤五、(步骤一至四在恒定转速ωj下进行，步骤五是改变ωj再重复步骤一至步骤四)倾侧振动校正力矩的相位不随转速变化，倾侧振动校正力矩的幅值与转速关系如公式(1)所示，因此，将步骤二所述θ0确定为倾侧振动等效力矩的相位，改变j＝2,3,…,M，M为辨识转速个数，M≥3，即改变工作转速ωj；通过重复步骤一至步骤四，确定不同转速ωj对应倾侧振动等效力矩的幅值通过拟合确定随转速变化的校正力矩T0(ω)，T0(ω)中的ω表示转速，为变量；
步骤六、将变速倾侧动量轮x轴和y轴施加的作用力矩改变为T0(ω)cos(ωt+θ0-180°)和T0(ω)sin(ωt+θ0-180°)，在任意工作转速ω条件下，对变速倾侧动量轮进行主动振动抑制。
在步骤四中，的取值范围为[0，360度]，的变化以一定步长均匀选取，Ti j根据力矩器施加的力矩范围内选取。
基于公式(1)中倾侧角输出φ与转速平方ω2呈近似反比例关系，所述T0(ω)是利用不同转速ωj对应倾侧振动等效力矩幅值数据与转速平方倒数数据的线性拟合得到的。
本发明具有以下有益效果：
本发明方法利用力矩器对转子施加精准的作用力矩，可以有效抑制残留不平衡和多种不理想因素叠加作用引起的倾侧振动一倍频成分。
本发明方法可以使变速倾侧动量轮的倾侧振动一倍频幅值从0.04562度降低为0.002514度，倾侧振动的校正幅度为94.49％，倾侧振动校正效果显著，如图6所示，实现了变速倾侧动量轮的倾侧振动抑制，为提高变速倾侧动量轮三维力矩输出精度和两维姿态角速率测量精度奠定了基础。
附图说明
图1为本发明的流程图；开环转子是指倾侧回路开环条件下转子的状态；
图2为变速倾侧动量轮结构图，该装置主要由壳体、电机、平衡环、转子和力矩器五部分组成，图中力矩线圈是两轴正交分布的矩形线圈，固定在圆筒形薄壁骨架上(为便于表达，图2中没有画出永磁体)；
图3为转速3600rpm时，变速倾侧动量轮的倾侧角输出与力矩输入关系的仿真图；
图4为变速倾侧动量轮的力矩输入与倾侧角输出比与转速平方关系的仿真图；
图5为变速倾侧动量轮施加力矩的框图，其中G0(s)为控制对象，Gc(s)和H(s)分别为前向通道和反馈通道的控制器，φcmd为输入倾侧角指令，φout为系统输出倾侧角一倍频幅值；
图6为采用本发明方法校正前后的倾侧振动对比图。图6a为校正前后绕x轴倾侧角输出时域曲线，图6b为校正前后倾侧角输出频域曲线。
具体实施方式：
变速倾侧动量轮系统的结构如图2所示，其中，力矩线圈是两轴正交分布的矩形线圈，固定在圆筒形薄壁骨架上，与永磁体共同作用构成力矩器。在力矩线圈通以电流，对转子施加径向控制力矩，实现对转子的倾侧运动控制。
已知变速倾侧动量轮系统具有如下近似关系，
其中，Irs为转子轴向转动惯量，Irt为转子径向转动惯量，T为力矩输入，φ为倾侧角输出，ω为转子转速。
由公式(1)可知，变速倾侧动量轮的倾侧角输出与力矩输入呈近似正比例关系，倾侧角输出与转速平方呈近似反比例关系，该比例关系通过变速倾侧动量轮机械仿真模型完成验证，如图3和图4所示。
因此，利用公式(1)的近似关系和倾侧角输出信号，通过一定的算法辨识所需的力矩，利用力矩器对转子施加实时控制作用可以实现变速倾侧动量轮主动振动抑制。
本发明的一种基于力矩器的变速倾侧动量轮主动振动抑制方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、在变速倾侧动量轮转子x轴施加力矩为同时在y轴施加力矩为等效为在变速倾侧动量轮转子相位处施加力矩Ti j，该力矩随转子共同旋转，其中i＝1,2,…,N，N为施加力矩总次数，N≥3，j＝1。使变速倾侧动量轮在倾侧回路开环条件下以转速ωj稳定运行，利用倾侧传感器测得绕x轴倾侧角信号，并采用快速傅里叶变换对倾侧角信号进行处理，得到倾侧角一倍频幅值为
步骤二、根据倾侧角输出与力矩输入的近似关系，列写方程如下，
其中，c为影响系数，和θ0表示变速倾侧动量轮在转速为ωj时原始倾侧振动等效力矩的幅值和相位，即在变速倾侧动量轮转子θ0相位施加力矩由该力矩激励产生的倾侧角输出与变速倾侧动量轮原始倾侧振动一致。
由于公式(2)为超定方程组，利用最小二乘法，以残差平方和最小为标准确定和θ0。
步骤三、无力矩作用情况下，使变速倾侧动量轮闭环跟踪倾侧角指令φcmd，并以转速ωj稳定运行，计算得到倾侧角一倍频幅值为在变速倾侧动量轮x轴和y轴分别施加作用力矩和如图5所示，使其在闭环跟踪倾侧角指令φcmd条件下以转速ωj稳定运行，计算得到倾侧角一倍频幅值为
步骤四、对比和如果表明转速为ωj时变速倾侧动量轮的主动振动有抑制效果，然后执后步骤五；否则改变Ti j的大小重复步骤一至三直至
通过对比和检验转速为ωj时变速倾侧动量轮的主动振动抑制效果。
步骤五、倾侧振动校正力矩的相位不随转速变化，倾侧振动校正力矩的幅值与转速关系如公式(1)所示，因此，将步骤二所述θ0确定为倾侧振动等效力矩的相位，改变j＝2,3,…,M，M为辨识转速个数，M≥3，即改变工作转速ωj。通过重复步骤一至步骤四，确定不同转速ωj对应倾侧振动等效力矩的幅值通过拟合确定随转速变化的校正力矩T0(ω)。
步骤六、将变速倾侧动量轮x轴和y轴施加的作用力矩改变为T0(ω)cos(ωt+θ0-180°)和T0(ω)sin(ωt+θ0-180°)，在任意工作转速ω条件下，对变速倾侧动量轮进行主动振动抑制。
实施例：
如图1至图6所示，本实施方式给出转速为3600rpm时一种基于力矩器的变速倾侧动量轮主动振动抑制方法的实现过程：
利用力矩器，在变速倾侧动量轮转子x轴施加力矩为在转子y轴施加力矩为其中i＝1,2,…,7，ω1＝60×360度/秒。在倾侧回路开环条件下以转速ω1稳定运行，利用倾侧传感器测得绕x轴倾侧角信号，并采用快速傅里叶变换计算倾侧角一倍频幅值为如表一所示。
表一、不同力矩输入时倾侧角一倍频幅值
已知力矩线圈施加的力矩与力矩线圈电压成正比，因此，存在如下关系，
其中为等效作用力矩对应的力矩线圈电压。将表一中数据带入公式(3)，利用最小二乘法，以残差平方和最小为标准确定等效作用力矩对应力矩线圈电压的幅值和相位，经解算，和θ0＝107度。
在变速倾侧动量轮x轴和y轴施加力矩，对应的力矩线圈电压分别为和在闭环跟踪2度倾侧角指令条件下，得到校正前后的变速倾侧动量轮倾侧角信号，验证本发明方法的倾侧振动抑制效果，如图6所示。变速倾侧动量轮转子绕x轴倾侧角信号的时域曲线和频域曲线分别对应图6a和图6b，由图6b可知，倾侧角一倍频幅值从0.04562度降低为0.002514度，倾侧振动校正幅度为94.49％。
由图6可知，本发明方法可以有效抑制变速倾侧动量轮倾侧振动一倍频成分。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于力矩器的变速倾侧动量轮系统主动振动抑制方法，变速倾侧动量轮系统的力矩线圈是两轴正交分布的矩形线圈，固定在圆筒形薄壁骨架上，与永磁体共同作用构成力矩器；在力矩线圈通以电流，对转子施加径向控制力矩，实现对转子的倾侧运动控制；
其特征在于：
变速倾侧动量轮系统具有如下近似关系，
其中，Irs为转子轴向转动惯量，Irt为转子径向转动惯量，T为力矩输入，φ为转子倾侧角输出，ω为转子转速；
由公式(1)可知，变速倾侧动量轮的转子倾侧角输出φ与力矩输入T呈正比例关系，倾侧角输出φ与转速平方ω2呈近似反比例关系，利用公式(1)在不同转速条件下确定所需施加的校正力矩的幅值和相位，然后利用力矩器对转子施加实时校正力矩，以实现对变速倾侧动量轮的主动振动抑制。
2.根据权利要求1所述的一种基于力矩器的变速倾侧动量轮系统主动振动抑制方法，其特征在于，利用公式(1)在不同转速条件下确定所需施加的校正力矩的幅值和相位，然后利用力矩器对转子施加实时校正力矩，以实现对变速倾侧动量轮的主动振动抑制，具体过程如下：
步骤一、以转子的支撑中心O为坐标原点，根据右手定则，定义沿转子中心轴向上方向为z轴，定义力矩线圈施加作用力矩的两轴分别为x轴和y轴，
在变速倾侧动量轮转子x轴施加力矩为同时在y轴施加力矩为等效为在变速倾侧动量轮转子相位处施加力矩Ti j，该力矩随转子共同旋转，其中i＝1,2,…,N，N为施加力矩总次数，N≥3；使变速倾侧动量轮在倾侧回路开环条件下以恒定转速ωj稳定运行，j＝1，利用倾侧传感器测得绕x轴倾侧角信号，并采用快速傅里叶变换对倾侧角信号进行处理，得到倾侧角一倍频幅值为
步骤二、根据倾侧角输出与力矩输入的近似关系，列写方程如下，
其中，c为影响系数，和θ0表示变速倾侧动量轮在转速为ωj时原始倾侧振动等效力矩的幅值和相位，即在变速倾侧动量轮转子θ0相位施加力矩由该力矩激励产生的倾侧角输出与变速倾侧动量轮原始倾侧振动一致；
由于公式(2)为超定方程组，利用最小二乘法，以残差平方和最小为标准确定和θ0；
步骤三、无力矩作用情况下，使变速倾侧动量轮闭环跟踪倾侧角指令φcmd，并以恒定转速ωj稳定运行，计算得到倾侧角一倍频幅值为在变速倾侧动量轮x轴和y轴分别施加作用力矩和使其在闭环跟踪倾侧角指令φcmd条件下以恒定转速ωj稳定运行，计算得到倾侧角一倍频幅值为
步骤四、对比和如果表明转速为ωj时变速倾侧动量轮的主动振动有抑制效果，然后执后步骤五；否则改变Ti j的大小重复步骤一至三直至
步骤五、倾侧振动校正力矩的相位不随转速变化，倾侧振动校正力矩的幅值与转速关系如公式(1)所示，因此，将步骤二所述θ0确定为倾侧振动等效力矩的相位，改变j＝2,3,…,M，M为辨识转速个数，M≥3，即改变工作转速ωj；通过重复步骤一至步骤四，确定不同转速ωj对应倾侧振动等效力矩的幅值通过拟合确定随转速变化的校正力矩T0(ω)，T0(ω)中的ω表示转速，为变量；
步骤六、将变速倾侧动量轮x轴和y轴施加的作用力矩改变为T0(ω)cos(ωt+θ0-180°)和T0(ω)sin(ωt+θ0-180°)，在任意工作转速ω条件下，对变速倾侧动量轮进行主动振动抑制。
3.根据权利要求2所述的一种基于力矩器的变速倾侧动量轮系统主动振动抑制方法，其特征在于，在步骤四中，的取值范围为[0，360度]，的变化以一定步长均匀选取，Ti j根据力矩器施加的力矩范围内选取。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于力矩器的变速倾侧动量轮系统主动振动抑制方法，其特征在于，基于公式(1)中倾侧角输出φ与转速平方ω2呈近似反比例关系，所述T0(ω)是利用不同转速ωj对应倾侧振动等效力矩幅值数据与转速平方倒数数据的线性拟合得到的。
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