电动式磁悬浮动量球多物理场耦合建模与控制研究

A novel electrodynamic suspension reaction sphere (EDSRS) with the compact structure and the low cost is proposed for satellite attitude control. The EDSRS could realize the stable suspension and the rotation around arbitrary axis simultaneously. For the multi-physics coupling and nonlinear characteristics of the EDSRS, the modeling and the control theories are developed. Firstly, based on the multilayer traveling magnetic field theory and the Finite Element Method, the coupling mechanism can be revealed by analyzing the coupling effect caused by the high speed rotation around arbitrary axis and the eddy current heating. Meanwhile, the complex nonlinear mechanism of the force/torque, caused by the uneven air gap, the material nonlinearity and the eddy current distortion, is analyzed. Thus, an electromagnetic field model and a force/torque model could be developed. Secondly, with the utilization of the electromagnetic field model and the equivalent circuit method, simplified force/torque models for control and the multi-DOF rotor dynamics models are derived. In order to decouple the force and the torque of the same stator, the multi-DOF measurement and the multi-DOF motion, a multidimensional decoupling control strategy is proposed. Thirdly, utilizing the electromagnetic field and the force/torque model, the structural optimization of the EDSRS is done with the goal of the maximum momentum, the minimum power loss, the weakest coupling and the optimum control parameters. Finally, a prototype of the EDSRS will be developed with the maximum angular velocity 3000 RPM.

面向卫星姿态调整需求，首次提出一种新型电动式磁悬浮动量球方案，结构简单紧凑并具有低成本优势，在稳定悬浮的同时可实现绕任意轴的高速旋转。针对该结构进行非线性耦合建模和控制研究。首先通过多层行波磁场理论和有限元分析方法，一方面分析绕任意轴高速旋转和涡流发热引起的耦合效应，揭示耦合机理，另一方面分析气隙不均匀、材料非线性和涡流畸变引起力/矩非线性的作用机制，进而建立复杂非线性耦合电磁场和力/矩模型。其次，基于复杂非线性耦合电磁场模型和等效电路方法，建立被控对象力/矩简化模型和多自由度转子动力学模型，对单定子的力和力矩耦合、多自由度测量耦合和多自由度运动耦合进行解耦控制，提出多维解耦控制策略。最后，基于电磁场和力/矩模型，以惯量距最大化、功耗最小化、耦合度最低化和控制最优化为目标，对磁悬浮动量球进行结构优化设计。研制一套电动式磁悬浮动量球原理实验装置，实现最大角速度3000转/分。

面向卫星姿态控制需求，本项目首先对基于感应原理的电动式磁悬浮动量球电磁驱动原理进行深入分析，提出了基于三组球面柱形定子正交布置协同驱动的动量球新方案。.第二，对电动式磁悬浮动量球电磁建模理论开展研究。采用电磁结构等效简化和多层行波磁场理论，对单定子单自由度驱动的电磁场及驱动电磁力和力矩进行了准确建模。并更进一步，结合电磁解析建模与有限元分析的方法，对球形动子任意轴快速旋转引起的复杂电磁动态畸变效应进行建模分析，揭示了多自由度运动下动量球的电磁畸变效应本质。极大丰富完善了电动式磁悬浮动量球的电磁建模理论。此外，还对多定子间电磁场的相互耦合作用进行研究分析，为动量球电磁结构提供优化设计准则。.第三，对于电动式磁悬浮动量球结构系统性优化设计开展研究。本部分的研究对于动量球结构优化设计提供了一般性的优化框架，结合动量球电磁模型及有限元分析对动量球结构进行拓扑优化设计。此外针对动量球结构的轻量化与集成优化方法开展了理论研究。.第四，本项目还对动量球六自由度运动的测量方案开展研究。对球形动子平动位移测量设计了基于三激光位移传感器的测量方案。对于球形动子的任意轴旋转设计了基于多光学传感器的转速测量方案。并在此基础上，研制了一套完整的磁悬浮动量球原理实验装置，设计开发了基于RTX和NI PXIe的动量球多自由度运动实时控制系统。.最后，本项目还对于动量球各轴电磁力和力矩间多维复杂非线性耦合开展研究。结合动态畸变电磁模型揭示其耦合机制，并据此设计了基于多自由度伪逆法及神经网络逆模型的多维非线性解耦电流分配方案。最终实现了对球形动子稳定磁悬浮与任意轴旋转的主动控制，任意轴旋转的最大转速为1500rpm。在此基础上，针对典型卫星姿控工况，设计了考虑转速轨迹跟踪误差与能耗指标综合性能最优的控制策略。.各部分研究相互呼应，共同为基于电动式磁悬浮动量球的卫星姿态控制系统设计提供了完整的理论分析及系统设计方案。