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电动式磁悬浮星球车重力补偿系统研究

商阔  
【摘要】:深空探测技术的发展对于确立国家的地位至关重要,空间微低重力环境模拟则是促进空间探测技术发展的关键环节。随着嫦娥五号携月壤返回地球,我国的航天工程迈入了新的历史进程,火星探测亦已列入探索计划。面对越来越多的外太空探测任务需求,对空间微重力实验环境模拟也提出了更高的要求。本文通过分析现有各微重力实验方法的优势及不足,提出基于电动式磁悬浮原理的重力补偿方式,并开展相关研究。首先,磁悬浮重力补偿原理的确定及系统设计。针对星球车行走微重力环境模拟实验目标,对现有各类重力补偿方法及重力补偿实现原理进行对比分析,总结其各自的优缺点,提出利用磁悬浮原理实现非接触的重力补偿方法,模拟等效微重力环境。通过系统可行性分析,对比系统合格性指标,将电动式磁悬浮系统进行模块化分装,分析磁悬浮系统对整体系统运动学影响,确定基于电动式磁悬浮的重力补偿原理,完成重力补偿系统的原理设计。其次,结合重力补偿功能需求的电磁悬浮特性分析。针对电动式磁悬浮系统,进行磁场动、静态分析,永磁体磁性能磁场静态分析。从Halbach阵列永磁体磁场分布原理出发,结合实际需求对稀土磁体排列方式排列重组,使之具有更良好的磁性能。进而利用麦克斯韦方程组建立磁场动态分析模型,通过仿真软件对系统进行仿真分析,从改变磁场变化率以及磁气隙角度出发,对磁浮力以及磁场涡流损耗进行综合分析,确定转速与气隙的最佳配比关系,同时搭建小型实验平台,为后续的控制系统提供物理载体。最后,重力补偿控制机理分析及控制策略制定。结合系统整体分析,为满足系统对阻尼的要求,设计随动可控嵌入式主动阻尼装置。对伺服控制方式进行选择,确定时变量与不变量,利用经典PID控制方法对系统进行控制,以电机转速为控制对象,通过对电机转速进行实时控制从而达到对力的控制。推导系统传递函数,利用Simulink对PID控制中系数进行确定,最终实现系统的稳定控制。


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