馬薩諸塞州劍橋-想象一下幾乎完美平衡的衛(wèi)星動量輪，軸承永不過熱，失去潤滑劑，抗旋轉(zhuǎn)或需要維修。美國宇航局做了，結(jié)果是一個68牛米秒的動量輪，在一個新的自動調(diào)心軸承系統(tǒng)的控制下，在其質(zhì)心周圍以3,500到6,600轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。SatCon技術(shù)公司是一家主動運(yùn)動控制公司，開發(fā)了克萊斯勒實(shí)驗(yàn)性Patriot賽車背后的混合動力推進(jìn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并制造了這種電磁控制的無接觸軸頸軸承。項(xiàng)目發(fā)言人吉姆唐納認(rèn)為這是第一個這樣的實(shí)用磁性航天器軸承。他將軸承的發(fā)展歸功于現(xiàn)代緊湊型電子元件和高強(qiáng)度磁性材料。

由于顯而易見的原因，軌道航天器中的部件通常是不可修復(fù)的。因此，像動量輪軸承一樣簡單的部件可以是衛(wèi)星的跟腱。動量輪沿著單個軸提供姿態(tài)控制，因此丟失一個可能使衛(wèi)星癱瘓。盡管它們是精確平衡的，但這些車輪仍然存在一些偏心或殘余不平衡。這種缺陷會引起最終磨損機(jī)械軸承的振動。

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預(yù)算電路設(shè)計(jì)

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為了解決這個軸承問題，SatCon建議NASA“順其自然”并管理動量輪不可避免的不平衡。“我們的想法是允許圍繞它想旋轉(zhuǎn)的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)(質(zhì)心)，”SatCon的唐納說。

方法如下：33.2厘米動量輪的輪轂由鐵質(zhì)材料制成，并由磁軸軸承徑向支撐。兩組堆疊的專有電磁線圈直接在xy平面內(nèi)運(yùn)動，僅施加0.27N以保持車輪繞其質(zhì)心旋轉(zhuǎn) - 機(jī)械軸承系統(tǒng)將施加4.7N。

在穩(wěn)態(tài)下，線圈施加很小的力或不施加力，因?yàn)橘|(zhì)心基本上保持固定(并且不加速)。在實(shí)踐中，當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)時(這需要19分鐘)，并且當(dāng)驅(qū)動動量輪的馬達(dá)用于傳遞姿態(tài)變化時，瞬時力被施加到輪轂上。

消除瞬態(tài)需要主動運(yùn)動控制方案，該方案使用測量和預(yù)測的車輪動態(tài)。兩個差分對渦流傳感器(來自Kaman Instrumentation Corp.，Colorado Springs，CO)為閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)提供位置反饋。德州儀器(TI)TMS320C30 DSP芯片處理這些數(shù)據(jù)，并指示放大器更新大約3,000 Hz的定位線圈電流。

DSP控制器在存儲器中保存動量輪(稱為工廠模型)及其干擾動力學(xué)的相互關(guān)聯(lián)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。這些模型讓DSP預(yù)測不平衡如何影響車輪的運(yùn)動。

“你想要反饋質(zhì)心位置，但你只知道幾何中心，”唐納堅(jiān)持說。因此DSP必須估計(jì)質(zhì)心位置。擾動動態(tài)模型的輸出給出了偏移距離的度量，并且工廠模型的輸出給出了質(zhì)心位置的估計(jì)。將它們相加以產(chǎn)生傳感器輸出的估計(jì)值，然后將其與實(shí)際傳感器輸出進(jìn)行比較。

通過控制工廠和干擾模型的增益，“循環(huán)收斂，結(jié)果無效。它推動了你應(yīng)該測量的和你測量的相同的估計(jì)，”唐納說。結(jié)果是一個控制器，讓車輪圍繞其質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。

“這是一項(xiàng)激動人心的創(chuàng)新，”唐納說道，SatCon已經(jīng)申請了專利。“在長壽命，低維護(hù)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)和軸承緊湊性方面有很多應(yīng)用，”他補(bǔ)充道。而且因?yàn)?ldquo;磁力軸承原則上與任何類型的電機(jī)沒有什么不同，”唐納設(shè)想工廠生產(chǎn)出來的那一天，工程師將它們設(shè)計(jì)成日常的實(shí)用產(chǎn)品。在那種情況下，這種類型的軸承可能變得像普通的那樣廣泛使用并且如今的微型電動機(jī)一樣廣泛使用。