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申请/专利权人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学

摘要：本发明涉及一种洛伦兹力磁悬浮万向重力卸载方法。针对洛伦兹力万向稳定平台地面演示装置研究磁悬浮载体万向重力卸载方法，分析洛伦兹力磁悬浮重力卸载原理，基于等效磁路法和磁路欧姆定律明晰洛伦兹力磁轴承磁力影响因素，推导洛伦兹力磁悬浮万向重力卸载动力学模型，设计磁悬浮载体重心偏移状态观测器，在此基础上，构建基于重心偏移观测器的磁悬浮载体运动内模控制律，进而实现磁悬浮载体六自由度下的稳定悬浮，以模拟空间失重环境，实现在地面上对洛伦兹力磁悬浮万向稳定平台的整机功能和性能的测试。

主权项：1.一种洛伦兹力磁悬浮万向重力卸载方法，其特征在于，针对洛伦兹力万向稳定平台地面演示装置研究磁悬浮载体万向重力卸载方法，分析洛伦兹力磁悬浮重力卸载原理，基于等效磁路法和磁路欧姆定律明晰洛伦兹力磁轴承磁力影响因素，推导洛伦兹力磁悬浮万向重力卸载动力学模型，设计磁悬浮载体重心偏移状态观测器，在此基础上，构建基于重心偏移观测器的磁悬浮载体运动内模控制律，进而实现磁悬浮载体六自由度下的稳定悬浮，具体实现步骤如下：1洛伦兹力磁悬浮万向重力卸载原理分析洛伦兹力磁悬浮万向平台主要由平台舱、框架舱、载荷舱构成，建立坐标系如下，以载荷舱和框架舱的几何中心为坐标原点，载荷舱的主动旋转轴为Z轴，框架舱的主动旋转轴为Y轴，X轴的方向根据右手定则确定，磁悬浮机构包括轴向洛伦兹力磁轴承、一对径向洛伦兹力磁轴承和两组旋转洛伦兹力磁轴承，框架舱通过5-DOF洛伦兹力磁悬浮控制载荷舱稳定悬浮，在实现载荷舱5-DOF稳定悬浮的基础上，框架舱上的一组旋转洛伦兹力磁轴承控制其绕Y轴的偏转，由于机械轴承的连接，载荷舱同时发生偏转，同时，载荷舱上的一组旋转洛伦兹力磁轴承控制载荷舱绕Z轴的偏转，实现小角度稳定控制；载荷舱在轴向洛伦兹力磁轴承和一对径向洛伦兹力磁轴承的作用下，通过一级框架径向自旋和二级框架轴向自旋，实现三个平动DOF和两个转动DOF的主动稳定悬浮，径向洛伦兹力磁轴承主要包括上转子组件、下转子组件和定子组件，其中，上转子组件和下转子组件均包括导磁环、内磁钢环、外磁钢环；定子组件包括定子骨架、瓦形线圈，轴向洛伦兹力磁轴承主要包括外磁钢环、内磁钢环、线圈支架、线圈；2基于等效磁路法的洛伦兹力磁轴承磁力模型构建根据重力卸载磁轴承三环形磁钢包围两环形线圈的结构形式，忽略磁钢漏磁、线圈自感以及边缘效应的影响，对磁轴承运用等效磁路法进行建模，根据磁路欧姆定律，磁钢环磁动势等于永磁磁通和永磁磁阻的乘积，其磁通Φ可表述为： 其中，Fi为三块磁体的磁动势，磁动势可表示为矫顽力与磁化长度的乘积，即Fi＝HcIpi，Hc为磁钢的矫顽力，Ipi为磁钢的磁化长度，Ri为对应三块磁钢的永磁磁阻，Rg1，Rg2分别为永磁磁路穿过外定子线圈和内定子线圈的气隙磁阻，根据磁感应强度表达式： 其中，S为与磁场方向垂直的平面面积，根据安培力定义，洛伦兹力磁轴承的作用力为：F＝NBLI＝KiI3其中N为线圈匝数，F为产生的电磁力，B为磁感应强度，L为与磁场垂直方向的线圈长度，I为悬浮电流，三个通道可分别得到悬浮电流Ixf、Iyf、Izf，Ki为电流刚度系数；3洛伦兹力磁悬浮万向重力卸载动力学模型构建当重力方向与三个通道指向不一致时，需要三个重力卸载磁轴承同时提供电磁力对磁悬浮载体进行重力卸载，假设重力方向沿X方向为初始状态，平台旋转后的姿态为[αβγ]，三个重力卸载通道同时输出电磁力使平台在当前姿态受力平衡，将力从平台旋转后的坐标系转换到平台初始状态时的坐标系的转换矩阵A为：A＝M1[-α]M2[-β]M3[-γ]4根据受力平衡可以得到方程式： 其中，Fx、Fy、Fz分别为三个通道单独实现重力卸载所需的洛伦兹力，mi为载荷舱和框架舱的质量微元，引入电流刚度系数后，上述几何关系可以整理得： 上式左边系数矩阵满秩时，可以求解三个通道磁轴承所需的电流；4磁悬浮载体重心位移状态观测器模型构建首先构建扩张状态观测器以对重力卸载系统的状态进行调整估计，设有二阶对象： 其中，wt是本系统存在的外部干扰，为包括内扰动和外扰动的系统总扰动，选取状态变量为x1＝y，将式7化为系统的状态方程为： 对于与状态方程8关联的的二阶被控对象，将系统外部干扰作用的影响量视为待定的状态变量：x3t＝at＝fx1，x2，wt，t9将此状态变量添加到原始系统中，原始系统状态扩展为一个新状态，并成为线性系统： 对扩展后的新系统建立非线性状态观测器： 其中，z1，z2，z3分别为状态量x1，x2，x3的估计，β01，β02，β03为状态观测器可以调整的增益参数，δ是位于坐标原点附近的线性段区间，并选取falx，a，δ如式12为非线性函数： 观测磁悬浮平台的位移量及扰动量，在b为已知量或接近时，扩张观测器的状态变量zit可对本系统的状态变量xit进行跟踪并随时调整，提高控制效果；5基于重心位移观测器的磁悬浮载体运动内模控制律设计在控制器中输入位移偏移量，其中位移偏移量可由状态观测器测量得到，输出量则为系统在三个方向上的控制电流Ixc，Iyc，Izc，则式6中各电流： 根据磁轴承施加的作用力与控制电流之间的关系，可得到在三个方向上施加的力，以使平台回到其原来的稳定位置： 考虑转子进行的平动运动和本控制系统中存在的时延τ，列出平台的3-DOF平动动力学方程组为： 对式15过拉普拉斯变换，转换到复频域，可得到： 其中，s是从时域到复频域的算子，转换为矩阵计算得到系统的平动运动状态方程： 设计内模控制器Q1s和Q2s，Q1s可调整重力卸载系统的跟踪性能，Q2s可调整此系统对内外干扰的抵抗性能，Ps是被控对象，Pms为基于被控对象所建立的数学模型，ds是对于重力卸载系统的干扰量；系统输入与输出间的传递函数为： Ps＝Pms21取Grs＝1，Gds＝0，过程Ps与Qs保持稳定，则内模控制系统的内部稳定，此时可以良好地抵抗干扰并对系统的状态进行跟随；在控制器中加入低通滤波器Fs，为获得达到期望的动态特性和鲁棒性，可不断调整滤波器的结构及其参数，引入滤波器后的Q1s和Q2s满足： 其中，λ1、λ2为滤波器的时间常数，λ1可近似视为与闭环带宽为正比关系，这里取r＝2，保证Qs的可实现性；简化控制器后，反馈控制器Cfs，Cds与Q1s，Q2s的关系为： 平台受重力卸载磁轴承产生的洛伦兹力在三个方向上产生平动运动，以Y通道为例，Y通道上被控对象的传递函数为： 可以得到Y通道的转子平动运动的内模控制器表达式为： 其中C1s、C2s的2个参数λ1、λ2可调，λ1可调节重力卸载系统的跟踪性能，λ2可调节系统对内外干扰的抵抗性能；同理，可得到在X、Z通道上转子平动的内模控制器表达式： 磁轴承控制方程中Gs采用内模控制器，改变上述平动控制器中的6个参数可提升控制系统动态性能；所述洛伦兹力磁悬浮万向重力卸载方法，可以实现洛伦兹力万向稳定平台地面演示装置在任意姿态下的悬浮和三个平动DOF的重力卸载，具有承载能力大、精度高等优点。上述说明是为说清楚本发明所做的举例，并非是对本发明实施方法的限定，凡是对本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或者变动仍在本发明的保护范围之列。

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