磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)系統(tǒng)的研究

為了解決傳統(tǒng)多自由度關(guān)節(jié)由于傳動鏈長、關(guān)節(jié)摩擦面磨損嚴重，導致末端執(zhí)行器的承載能力及系統(tǒng)剛度和效率降低、系統(tǒng)精度下降，以及靜、動態(tài)性能和穩(wěn)定性均變差等問題，本項目基于國家自然科學基金在國內(nèi)外率先提出并研究磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)系統(tǒng)。項目研究分別基于磁場理想分布規(guī)律、磁場分割法，以及球諧波理論等，對磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)磁場進行分析，得出了氣隙磁場的解析模型，研究了磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)產(chǎn)生電磁懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩的機理，并通過有限元仿真試驗分析，驗證了氣隙磁場及電磁懸浮力和電磁轉(zhuǎn)矩模型的正確性；對不同類型的磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)進行了結(jié)構(gòu)研究，設(shè)計出定子分體式和整體式、磁阻式和感應(yīng)式、正交繞組式和分區(qū)域繞組式等磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)或電機結(jié)構(gòu)，建立了磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的三維動力學耦合模型和逆系統(tǒng)解耦線性化模型，對系統(tǒng)進行了狀態(tài)重構(gòu)的同步懸浮控制和PDF控制研究，提出了磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的多種控制驅(qū)動電路方案，設(shè)計了磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的檢測控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行性能仿真分析，構(gòu)建了磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的實驗臺，通過試驗驗證了理論分析研究結(jié)果的正確性。項目研究取得的成果，將為后期磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的設(shè)計和研究提供可行的理論基礎(chǔ)，并對球形電動機、主動關(guān)節(jié)的發(fā)展以及高速磁懸浮機械的研究，對提高主動關(guān)節(jié)系統(tǒng)性能 以及多自由度機械系統(tǒng)小型化和微型化均具有十分重要的意義。 2100433B

基于磁懸浮技術(shù)、電機技術(shù)及機器人關(guān)節(jié)技術(shù)，提出并研制一種多自由度磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)系統(tǒng)。從理論上分析磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)既產(chǎn)生支承球形關(guān)節(jié)的徑向懸浮磁力，同時又產(chǎn)生驅(qū)動球形關(guān)節(jié)多自由度轉(zhuǎn)動的切向磁轉(zhuǎn)矩的工作機理。推導磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)產(chǎn)生的徑向懸浮力和任意自由度方向的切向磁轉(zhuǎn)矩公式，并通過簡易的模型實驗對關(guān)節(jié)進行穩(wěn)定懸浮和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的實驗驗證。用有限元法分析方法計算磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)磁場各參數(shù)的分布規(guī)律和磁場間的耦合關(guān)系，對磁路結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，設(shè)計主動關(guān)節(jié)的本體結(jié)構(gòu)。根據(jù)本體結(jié)構(gòu)的特點，用空間轉(zhuǎn)子動力學分析方法建立磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)系統(tǒng)的動力學耦合模型，設(shè)計系統(tǒng)的自檢測解耦控制系統(tǒng)并進行系統(tǒng)仿真優(yōu)化，為磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的原理論證和設(shè)計計算提供依據(jù)。最終制造出本體樣機，根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計和構(gòu)建自檢測解耦控制系統(tǒng)，并進行磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的實驗。

潛艇在我國國防建設(shè)中具有重要的戰(zhàn)略意義，潛艇的靜音能力是衡量戰(zhàn)斗力的主要指標之一，降低動力噪聲的主要手段是采用浮筏隔振技術(shù)，但浮筏隔振無法克服低頻減振能力差的難題，本項目提出引入磁懸浮作動器構(gòu)成磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)加以解決。傳統(tǒng)磁懸浮支承是進行平衡位置控制，而磁懸浮作動器是進行剛度阻尼調(diào)節(jié)，只有對基于剛度阻尼控制的磁懸浮作動器的相關(guān)問題進行研究，才能將磁懸浮作動器與浮筏結(jié)合應(yīng)用于潛艇隔振系統(tǒng)中。本項目擬通過理論與實驗相結(jié)合的方法，探索磁懸浮支承技術(shù)在浮筏隔振應(yīng)用中引發(fā)的新問題，研究基于剛度控制的磁懸浮作動器模型的建立、研究磁懸浮作動器剛度阻尼對浮筏系統(tǒng)振動特性的影響、研究磁懸浮作動器與浮筏的剛度匹配規(guī)律、研究基于剛度匹配策略的磁懸浮作動器的控制方法，構(gòu)建磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)的設(shè)計理論與設(shè)計方法，為磁懸浮作動器應(yīng)用于隔振系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)，為提高我國潛艇聲隱身技術(shù)水平和國防事業(yè)作出貢獻。

潛艇在我國國防建設(shè)中具有重要的戰(zhàn)略意義，潛艇的靜音能力是衡量戰(zhàn)斗力的主要指標之一，降低動力噪聲的主要手段是采用浮筏隔振技術(shù)，但浮筏隔振無法克服低頻減振能力差的難題。本項目提出磁懸浮作動器與浮筏結(jié)合使用的“磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)”，即在振源與受控對象之間增加能夠進行主動控制的磁懸浮作動器，綜合利用浮筏隔振和磁懸浮作動器隔振的優(yōu)點，改進隔振系統(tǒng)的隔振降噪效果，解決浮筏隔振無法對低頻振動進行衰減的問題。 本項目通過理論與實驗相結(jié)合的方法，建立了基于剛度控制的磁懸浮作動器的理論模型和仿真模型，研究了影響其剛度變化的因素；根據(jù)理論研究和計算機仿真分析結(jié)果，完成了可變剛度電磁-空氣彈簧混合隔振器的分析設(shè)計，設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的氣磁主被動混合隔振器；綜合考慮空氣彈簧承載能力大和磁懸浮隔振器能夠抑制空氣彈簧低頻共振的特點，推導出了空氣彈簧剛度與磁懸浮隔振器位移剛度間的關(guān)系；研究了氣磁主被動混合隔振器的設(shè)計準則；依據(jù)該設(shè)計準則進行了實例設(shè)計；空氣彈簧和磁懸浮隔振器的剛度取不同值時，對氣磁主被動混合隔振系統(tǒng)的固有頻率和力傳遞率進行了仿真分析，結(jié)果表明增大磁懸浮隔振器剛度的絕對值或降低空氣彈簧的剛度值，可以達到更好的隔振效果。通過研究所獲得的空氣彈簧與磁懸浮隔振器間的剛度匹配策略和剛度設(shè)計準則，是磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。 本項目研制了磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)實驗裝置，進行了磁懸浮主動隔振系統(tǒng)模型辨識研究，研究了磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)控制方法，如自適應(yīng)前饋控制方法、H∞控制方法、模糊控制方法和LQR控制方法等。 本項目在磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)實驗裝置上采用自適應(yīng)前饋和H∞等控制方法開展了控制系統(tǒng)性能實驗研究，進行了單激勵源單通道、多激勵源單通道和單激勵源多通道等控制實驗，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，實驗取得了明顯的減振效果。 上述研究工作為磁懸浮浮筏主動隔振系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。