Control for the Magnetically Suspended Flat Rotor Tilting by Axial Forces in a Small-Scale Control Moment Gyro
Control for the Magnetically Suspended Flat Rotor Tilting by Axial Forces in a Small-Scale Control Moment Gyro
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小尺度控制力矩陀螺中轴向力对磁悬浮扁平转子倾斜的控制
DOI：
10.1109/tie.2017.2761755
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发表时间：
2018-03
影响因子：
7.7
通讯作者：
Feng Jian
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zhang Li;Du Jinbang;Feng Jian
采用轴向力倾斜的扁平转子的小型磁悬浮力矩控制陀螺比采用径向力倾斜的陀螺更容易减小尺寸和重量。提出了一种新型的三自由度无副气隙混合式轴向磁轴承。这种新结构效率更高，因为可以避免额外气隙的损失。为了补偿陀螺效应，提出了一种阶数随转子转速调整的阶数调度交叉反馈控制策略。利用增益与转速相关的广义根轨迹，比较了不同阶数交叉反馈控制器的章动和进动阻尼比。仿真结果表明，当交叉反馈控制器的阶数增加时，张动稳定性增加，但进动减小。在实验中，高阶交叉反馈导致最大稳定速度高，但低速时发生碰撞。在6200 r/min以下采用一阶交叉反馈，在6200 ~ 9000 r/min采用二阶交叉反馈，在9000 r/min以上采用三阶交叉反馈。在现场可编程门阵列上实现所提出的控制策略的数字控制系统可以使转子在0 ~ 12000 r/min范围内保持稳定悬浮状态。
Small-scale magnetically suspended control moment gyros with flat shaped rotor tilting by axial forces are easier to reduce size and weight than by radial forces. This paper presents a novel three-degree-of-freedom hybrid axial magnetic bearing without subsidiary air gaps. This new structure is more efficient because the loss on extra air gaps can be avoided. An order scheduling cross-feedback control strategy with order number adjusting with the rotor speed is also presented to compensate the gyroscopic effect. The damping ratios of nutation and precession are compared for cross-feedback controllers with different orders using generalized root locus with gain related to the speed of revolution. Simulation results show that, when increasing the order of the cross-feedback controller, the nutation stability rises, but precession drops. In experiment, high-order cross-feedback leads to high maximum stable speed, but collision at low speed. The solution is using first-order cross-feedback when the speed is below 6200 r/min, second order during 6200–9000 r/min, and third order above 9000 r/min. The digital control system implementing the presented control strategies on a field programmable gate array can keep the rotor in stable suspension from 0 to 12 000 r/min.
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