机电复合式恒力弹簧的控制系统设计

针对航天器地面物理试验中竖直方向零重力模拟的需要，设计了一种机电复合式恒力弹簧，包括机械式被动恒力系统设计和电磁式主动力补偿系统设计两部分，并且分析了其误差的主要来源。对所设计的机械式被动恒力系统建立了等效模型进行分析，并利用神经网络结合试验数据对其进行系统辨识，验证了等效模型的正确性。对电磁式主动力补偿系统进行了控制系统的设计与分析，并且进行了仿真研究，验证了电磁式主动力补偿系统的力补偿能力能够达到恒力弹簧的设计要求。

近年来， 我国的航天事业发展迅猛， 航天器关键技术的地面物理仿真验证也得到越来越多的重视[1]。

基于气浮式模拟器平台开发的地面仿真试验系统已经成为进行航天器地面模拟仿真验证的主要方式。现阶段国内外地面模拟仿真验证系统一般采用的都是较为成熟的三自由度和五自由度模拟器[2]，基本采用气浮球轴承和气足实现三自由度(水平二轴平动加竖直轴转动或三轴转动)和五自由度(三轴转动加水平二轴平动)。传统的五自由度模拟器有局限性，无法做到更加真实的天地一致性，也无法满足越来越复杂的航天器研发和仿真模拟要求。相比于五自由度模拟器，六自由度模拟器增加了竖直方向的零重力实现， 这也是技术攻关的难点。竖直方向零重力实现的技术也可转化为月球火星这种低重力环境的模拟。本文所采用的是一种正负刚度恒力弹簧支撑的方法[3] [4]， 利用直线电机作为主动力补偿机构， 并引入神经网络控制以减小系统恒力输出的误差。

2. 机电复合式恒力弹簧总体设计 机电复合式恒力弹簧的总体结构示意图如图1 所示，系统可分为机械式恒力系统和电磁式主动力补偿系统两部分。主要包括刀式凸轮恒力弹簧系统、直线电机、气浮导向装置、称重传感器等。

机械式恒力系统包括刀式凸轮恒力弹簧系统及其支撑件，此部分系统的功能为卸载载荷的绝大部分重力，其结构示意图如图2 所示。机械式被动恒力系统在结构上呈左右对称形式，主要组成为一个主弹簧、一对辅助弹簧、一对刀式凸轮及其转轴、滚轮和壳体等部分。竖直弹簧为正刚度弹簧，横向弹簧的力经凸轮传导，并且刀式凸轮表面的曲线使横向弹簧的力在竖直方向的分量与竖直弹簧力的合力为一恒定值。

由于机械式恒力系统当中的机械运动副存在摩擦， 且弹簧的刚度、凸轮的加工等均存在一定的误差， 机械式恒力系统输出力有一定的波动，这个误差无法满足高精度零重力试验的需求，所以需要有电磁式主动补偿系统对这个输出力误差进行修正。电磁式主动力补偿系统主要由直线电机和力传感器等部分组成。电磁式主动力补偿系统主要用于对机械式恒力系统的输出误差进行补偿，从而提高恒力弹簧整体的恒力输出精度，使竖直方向的零重力模拟更为精确。