低重力模拟装置关节滚动轴承摩擦力矩建模与补偿

作     者：安小康 

作者单位：福州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈力

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 082504[工学-人机与环境工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：低重力模拟装置 滚动轴承 摩擦建模 摩擦补偿 PID控制 

摘      要：随着载人航天工程的不断发展和深空探测任务的不断涌现,现阶段的低重力环境模拟方式无法满足大量的在地航天任务验证与航天员在地训练。考虑到现阶段的中性水池模拟失重、悬吊法模拟失重和自由落体法模拟失重等存在制造和维护成本高或模拟时间、模拟自由度受限等缺点,提出了一种基于势能守恒的被动式低重力环境模拟系统,该系统具有制造和维护成本低、模拟时间不受限、安全性高、可模拟0～1g任意低重力环境的优点,研发该设备对推动航天工程的发展具有重要战略意义。文章所述的低重力模拟装置是基于弹簧系统弹性势能与机构和被失重物体重力势能间相互转化并保持总势能守恒的原理设计的,其技术难点在于如何保证势能的无损耗传递,即如何消除势能传递过程中低重力模拟装置关节滚动轴承摩擦力对势能的损耗。为解决以上难题,提出了低重力模拟装置关节滚动轴承摩擦力矩建模与补偿方案。为定量分析关节轴承摩擦对低重力模拟系统动力学特性的影响,首先基于势能守恒对低重力模拟系统原理进行推导,并导出了弹簧刚度与系统动力学参数间映射关系;结合第二类Lagrange方程法导出了低重力模拟系统动力学方程,并对关节轴承有无摩擦的情况进行了仿真分析。为建立轴承的摩擦力矩模型,设计了一套轴承摩擦力矩测量装置,并通过实验测量得到了不同正压力作用下轴承摩擦力矩值,经拟合得到了轴承摩擦力矩与所受正压力间函数模型;针对轴承摩擦力矩测量过程中因力传感器维间耦合而导致测量不准确的问题,提出了正反转消除摩擦的误差辨识方法和BP神经网络误差辨识方法。因低重力模拟装置关节轴承摩擦力矩补偿系统需满足力矩跟随和位置跟随,设计了一套基于电机-力传感器组合控制系统的力矩补偿方案,并对电机控制器的PID控制算法进行了设计,且将补偿方案与控制算法在单摆装置上进行了实验验证。其次,将上述摩擦补偿方案和补偿算法应用到第二代低重力模拟装置中,根据低重力模拟装置结构特性对其关节轴承摩擦力矩补偿装置进行了结构设计,并根据补偿装置结构特点对电机控制器进行了重新设计;针对在低重力模拟装置物理实验中无法通过传感器获取关节轴承所受正压力的问题,提出了在补偿实验前通过仿真获取低重力模拟装置不同关节构型下的轴承受力并建立了轴承受力离线数据集的方案;最后,通过仿真验证了上述轴承摩擦补偿方案和补偿算法在低重力模拟装置关节轴承摩擦力矩补偿中的有效性。