磁悬浮稳定平台（精选3篇）
磁悬浮稳定平台 篇1
0 引言
稳定平台系统是航空遥感系统重要组成部分[1], 其主要的作用:隔离载体运动对遥感相机的干扰;实时提供遥感相机的时间、位置和姿态等信息;为遥感相机保持对地垂直及方位保持。而磁悬浮稳定平台则是利用磁悬浮轴承使得方位内框悬浮在稳定平台内, 消除机械接触, 以避免摩擦力矩所产生的随机干扰, 提高了定轴精度[2], 在高精度的航空遥感平台中由广阔的应用前景。本文先介绍了磁悬浮稳定平台的工作原理及组成结构, 在结合磁悬浮稳定平台中方位轴悬浮的特点, 设计了磁悬浮稳定平台方位轴三闭环控制回路和硬件控制系统, 在三框架三轴稳定平台上能够实现了较高的稳定精度。
1 磁悬浮稳定平台工作原理
磁悬浮稳定平台系统主要由惯性稳定平台、磁悬浮轴承、有效载荷、POS (高精度定位定向系统) 、外部解算系统组成。POS平台系统和有效载荷安装在方位轴上, 方位轴和惯性稳定平台的连接是通过磁悬浮轴承无机械接触式连接, 惯性稳定平台通过减震器安装在飞行器上。
磁悬浮稳定平台三轴框架结构:方位框架、俯仰框架、横滚框架。其示意图如图1 所示。有效遥感载荷和POS系统安装在平台的方位框内, 通过磁悬浮轴承与稳定平台的俯仰环连接。俯仰环和横滚环的连接方式则是通过机械轴承连接。稳定平台俯仰环和横滚环作用是抑制飞行载体俯仰和横滚运动对遥感相机产生的干扰, 保持遥感相机光轴与当地地垂线重合。方位内框的作用是抑制飞行载体偏航角运动对遥感相机的干扰, 保持遥感相机对准某一航向。
俯仰环和横滚环是传统的机械轴承连接, 因此在电机驱动设计通过旋转变压器测量平台的旋转角度, FPGA利用角度信息模拟霍尔信号, 产生换向表。在DSP计算控制环路产生PWM实现电机的驱动控制。然而由于方位框架作为磁悬浮轴承的转子, 和轴端无机械接触, 因此在其控制回路的设计和方位轴旋转角度的测量等都需要更加深入的研究。
2 方位轴控制原理
根据磁悬浮无机械接触, 摩擦力矩小, 定轴精度高等特点, 因此电机的控制系统采用三闭环控制回路, 即电流环、速率环和位置环的控制结构。其控制原理图如图2 所示。
电流回路通过电流传感器获取电枢电流信号, 与电流给定值进行动态比较, 以抵消负载转矩作用以及惯量变化所带来的影响[3]。
速率回路通过速率陀螺获取框架运行的角速率, 得到的转速信号作为速率环控制器的负反馈, 与转速参考值进行比较, 产生适当的电流参考值来控制后续闭合的电流环。其主要目的是隔离基座干扰角运动。
位置环是整个伺服系统设计的关键, 主要是利用POS获取遥感相机的姿态信号, 得到的姿态信号作为位置控制器的负反馈, 位置控制器输出的值与陀螺测量值进行复合, 通过电流控制器产生驱动电流, 使力矩电机带动相机框架进行相应补偿运动, 调整相机姿态。其主要目的是驱动平台跟踪参考航向。
3 方位轴控制系统硬件设计
由于方位轴的无接触的特性, 因此为避免有刷电机电刷带来的干扰, 本文选用的是永磁同步无刷直流电机。无刷电机换向表的产生, 采用角度传感器获得位置信息, 通过位置信息模拟电机的霍尔换向表。角位置传感器采用无接触式的光栅尺。而速率、姿态角的测量则是通过安装在方位框内的MEMS陀螺和高精度的POS系统测量, 电流反馈量的测量是通过安装在电机上的电流传感器获取。然后在DSP中进行控制环路的计算, 产生电机控制的PWM波, 经功率放大后与换向表共同控制无刷直流电机。
3.1 FPGA测角系统
磁悬浮稳定平台方位轴的测角装置采用光栅尺位移传感器, 其输出为数字脉冲信号, 具有检测范围大、检测精度高、响应速度快、无物理接触等特点。光栅尺主要是由读数头、主尺和接口组成。主尺安装在方位轴上, 通过摩尔条纹原理测量方位轴端角位移[4]。光栅尺选用英国Renishaw公司的增量式RGH22 系列, 其光栅尺栅距为20μm, 通过数字细分后可以实现数字分辨率达到1μm。
光栅尺一般采用Bi SS-C串行通信协议进行编码。Bi SS协议是为了从编码中器获得位置数据一种快速同步串行通信协议。该通信波特率可以达到10Mbps, 它是由两对差分信号线组成:MA和SLO[5]。MA是主机给从机的时钟信号;SLO是从机到主机传输位置数据, 同步于MA。因此在硬件电路设计时可以采用差分转化芯片Max3290, 转成FPGA可使用的TTL电平信号。图3 为FPGA读取光栅尺的状态转化图。取MA的时钟信号为2MHz, Cnt1 为CLK赋值给MA时开始计数MA上升沿次数;Cnt2 和i的取值相同。此状态转换读取位置量为1位、1 位错误位、1 位警告位和6 位CRC校验位, 数据读取结束后需保持40us的低电平, 才能进行下一次数据的采集。
3.2 驱动系统
方位电机驱动系统设计方案如图4 所示。控制系统以CPLD为核心器件, 接收控制板发来换向信号、PWM和使能信号EN, 发送给电机驱动芯片L298 实现无刷电机的换向和转速的控制。
控制板FPGA通过电流传感器采集电机电枢电流信号、通过MEMS陀螺采集方位轴的旋转角速率信号、通过POS平台系统采集到有效载荷的姿态角信息、通过光栅尺采集方位轴旋转的角度信号根据角度信号。FPGA将采集到的电流、速率、姿态等信息, 通过并口发送给DSP, 通过串口发送给上位机。DSP运算稳定回路的控制运算, 得到控制电机的PWM信号, 实现回路的稳定控制。上位机将采集数据进行直观的显示。
3.3 软件系统开发
方位轴控制系统的软件开发分为FPGA和DSP两部分的进行.FPGA采用的是Xilinx公司的ISE9.1 设计, DSP采用的是TI公司的CCS3.3 进行软件开发。具体的开发流程图如图5 所示。
4 结论
本文首先介绍了三轴磁悬浮稳定平台的系统组成, 然后就磁悬浮无机械接触、摩擦力矩小、定轴精度高等特点, 设计了磁悬浮稳定平台方位轴端的三闭环控制回路, 轴端驱动电机选择永磁同步无刷直流电机, 减少机械电刷带来的干扰, 无刷电机的换向需要位置信号模拟霍尔换向表, 其中位置的测量装置采用无机械接触的光栅尺。最后描述方位轴的控制系统的硬件设计方案。该方案的设计能够满足系统的任务指标。
参考文献
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微胶囊悬浮剂稳定性研究 篇2
1 实验方法
1.1 实验材料
拟除虫菊酯、尿素、甲醛 (有效成分37%) 、环己烷、三乙醇胺、聚乙二醇、聚乙烯醇 (PVA) 、海藻酸钠、十二烷基硫酸钠 (SDS) 、十二烷基苯磺酸钠、阿拉伯树胶、Tween20、Tween80、Span80、马来酸酐、苯乙烯-马来酸酐共聚物 (SMA) 、明胶、海藻酸钠、琼脂、羧甲基纤维素钠 (CMC) 、聚乙烯吡咯烷酮、磷酸钠、氯化钠等。
1.2 微胶囊样品的制备
将一定量的尿素与甲醛溶液混合并调节体系PH值为弱碱性, 水浴恒温反应, 用去离子水保存, 即制得预聚体水溶液。取一定量拟除虫菊酯溶于环己烷, 于三口瓶, 加入适量SMA, 充分混溶, 加入一定量的预聚体水溶液, 高速搅拌, 调节反应体系PH值在酸性条件下发生聚合反应, 加入水调节反应体系浓度, 保存2～3小时, 用蒸馏水洗涤保存为水悬液。取已制备振荡混匀后的微胶囊液20ml于小试管中, 加入各种助剂, 明胶、聚乙烯醇、琼脂、CMC先溶于20ml热水, 后加入小试管中, 其它助剂直接加入小试管, 静置, 观察分层情况 (48h) 。混配选用的助剂为单独使用对微胶囊水悬液稳定性较好的助剂。
1.3 稳定性测定
目测:观察样品的分层情况并记录分层时间, 每隔半个小时观察一次, 最长48小时, 确定微胶囊水悬液的初稳定性, 并同时用显微镜观察微胶囊形貌。
悬浮率测定:目测悬液稳定性较好的样品, 各取50ml胶囊悬液分别放入烧杯和量筒。将烧杯放入50℃烘箱干燥, 得固状物, 质量记录为m1 (g) , 将量筒静置48h, 在扰动最小的情况下, 用移液管沿液面取出45ml试样, 将剩余试样倒入另一烧杯放入50℃烘箱进行干燥, 得固状物, 质量记录为m2 (g) 。试样悬浮率X (%) :X= (10/9) × (m1-m2) /m1×100
2 实验结果与分析
2.1 单独使用助剂
琼脂、聚乙烯吡咯烷酮、明胶不能很好的提高悬浮液的稳定性, 保存过程中, 悬浮液成凝固状态, 不易倒出。海藻酸钠、SDS、十二烷基苯磺酸钠、CMC, 氯化钠、PVA均可提高稳定性, 并且用量越大, 悬浮液的稳定性越好, 但用量过大, 流动性不好, 不易倒出。但氯化钠用量增加超过0.85%后, 水相浓度超过有机相浓度, 稳定性开始下降。0.5%用量的PVA保存的微胶囊悬浮液, 可保持10小时不分层, 继续增大用量, 成胶体状态, 流动性差, 不易倒出。
2.2 混配使用助剂
单独使用悬浮性较好的一些助剂混配, 实验表明, SDS与海藻酸钠的混合物, 悬浮液的稳定性明显提高, 用量越大, 其稳定性越好。SDS、海藻酸钠与PVA或氯化钠的混合物, 悬浮液的稳定性明显提高。PVA用量越大, 稳定性越好, 但溶解性不好。氯化钠溶解性较好, SDS、海藻酸钠与氯化钠保存的混合悬浮液, 氯化钠用量越大, 稳定性越好, 但增大到水相浓度超过有机相浓度时, 稳定性下降。例用0.2%SDS、0.3%海藻酸钠与0.5%NaCl保存的微胶囊悬浮液可保存48小时不分层。
实验表明制备的微胶囊保存于SDS、海藻酸钠和NaCl混合的悬浮液中稳定性较好, 不同比例混配对微胶囊悬浮率影响如图1, 助剂用量SDS:海藻酸钠:NaCl比为0.2:0.15:0.5时, 悬浮稳定性最好。
用量比SDS:海藻酸钠:NaCl1#———0.3:0.1:0.42#———0.3:0.1:0.43#———0.2:0.2:0.54#———0.2:0.15:0.55#———0.2:0.3:0.56#———0.3:0.3:0.47#———0.3:0.2:0.4
3 结 论
微胶囊悬浮剂是一个高度分散的多相的复杂体系, 制备过程中加入乳化剂SMA, 可以吸附于粒子表面, 形成较密集的吸附层, 以“位阻”的相互作用使粒子间相互排斥, 形成较稳定的液固态体系;加入分散剂NaCl, 能在农药粒子表面形成强而有力的吸附层和保护屏障, 阻止絮凝;加入稳定剂SDS, 能防止及延缓农药制剂在贮运过程中有效成分分解或物理性能劣化;加入增稠剂海藻酸钠, 使介质粘度增大, 可减缓粒子的沉降速率, 但介质的粘度亦不可太大, 粘度太大时, 会增加产品从包装物中倒出的困难。脲醛树脂微胶囊制备实验表明, 加入乳化剂SMA制备的微胶囊保存于含有助剂SDS、海藻酸钠和NaCl的水溶液中, 微胶囊悬浮液稳定性好, 助剂SDS、海藻酸钠和NaCl用量比为0.2:0.15:0.5, 微胶囊悬浮液的悬浮率达98.23%。
参考文献
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磁悬浮稳定平台 篇3
加入悬浮稳定剂是改善水泥浆稳定性的通常做法。常见的起悬浮稳定作用的物质包括有机高分子及无机矿物两类。有机高分子包括生物多糖、纤维素衍生物等[2]天然高分子以及合成高分子共聚物[3]; 通过在水泥浆体系中形成网状结构,控制水泥浆体系中颗粒的移动,达到维持体系稳定的目的。但高温条件下,聚合物易发生降解,体系黏度降低,失去结构力和悬浮能力。无机矿物包括黏土、微硅粉、超细碳酸钙等[4],通过水化形成网架结构提高水泥浆悬浮能力。但易受温度和水化时间的影响,且会对水泥石强度有不良影响。
温伦胶是近年来新兴的生物多糖之一,具有悬浮性能好[5],酸、碱、盐耐受性高,热稳定性好[6〗的特点; 同时,温伦胶还具有独特的剪切稀释特性。因此,在泥浆及前置液中已得到应用,但作为悬浮稳定剂用在水泥浆中还不多见。本文研制了一种油田固井用悬浮稳定剂,由温伦胶作为有机悬浮组分、矿物B作为无机悬浮组分以及表面活性剂C组成。试验室及现场试用结果表明: 研制的SS—10L悬浮性能好,水泥浆常规性能不受影响,是一种性能优良的固井用悬浮稳定剂。
1 实验仪器及方法
1. 1 实验材料
山东G级油井水泥、油井水泥降失水剂、分散剂、缓凝剂、消泡剂等( 材料均产自天津中海油服化学有限公司) 用以配制水泥浆; 自制油田固井用悬浮稳定剂SS-10L,用以评价其性能。
1. 2 实验仪器
TG—3060型水泥浆恒速搅拌器 ( 沈阳泰格石油仪器设备制造公司) 、1200型常压稠化仪( 美国CHANDLER公司 ) 、TG—8040型高温高压稠化仪( 美国CHANDLER公司) 、3500LS型六速旋转黏度仪( 美国CHANDLER公司) 、TG—1220型高温养护釜( 沈阳泰格石油仪器设备制造公司) ; 7120型高温高压失水仪( 美国CHANDLER公司) 、M5500型运动黏度测定仪( 美国Grace公司) 。
1. 3 实验方法
油井水泥取样按照GB 10238进行,固体油井水泥外加剂的取样按照GB 6679进行,液体油井水泥外加剂的取样按照GB 6680进行,水泥浆性能按API规范10“油井水泥材料和试验规范”的规定测试。
2 实验结果及讨论
2. 1 温伦胶耐温极限的测定
按表1中配方配制水泥浆,用7120型高温高压失水仪( 美国CHANDLER公司) 进行滤失实验,并收集得到的滤液。在滤液中分别加入滤液质量0. 3%的温伦胶,并使用M5500型运动黏度测定仪( 美国Grace公司) 测定不同温度下的运动黏度,结果如下:
注: bwoc: by weight of cement,以水泥重量百分比计;
从图1中可以看出,配方1水泥浆滤液在330℉( 164℃) 时急剧下降,这说明采用淡水配浆时,温伦胶的耐温极限约为164℃,超过此温度,将不再对水泥浆起稳定悬浮作用; 与此类似,在采用海水配浆时,其耐温极限为312℉( 155℃) 。这说明温轮胶具有很好的热稳定性。但在水泥浆使用温度高于160℃时,仍需与其他抗高温悬浮组分复合使用。在SS-10L中,加入无机矿物B与温伦胶配合使用,无机矿物B与温伦胶具有良好的配伍性,同时具有纳米级粒径,其超高的比表面使其具有良好的悬浮性能。
2. 2 SS - 10L 的悬浮性能评价
按表2中配方配制水泥浆,SS-10L加量依次增大,随后按照API 10B中的方法测定水泥浆游离液及水泥石上下密度差,结果如下:
从实验结 果可以看 出,即使水灰 比很大( W/C = 0. 65) ,水泥浆自由液及上下密度差均随SS-10L加量增大而减少,水泥浆稳定性提升,当加量仅为0. 006左右时,即可保证水泥浆游离液与上下密度差基本为零,悬浮稳定性良好,这说明主要悬浮组分温伦胶的悬浮性能优异。通过大量的实验还发现,SS - 10L的加量在0. 002 ~ 0. 01之间为宜,过多会造成,下灰困难。
bwoc: by weight of cement,以水泥重量百分比计;
为了更一步说明SS-10L对水泥浆稳定性的改善,还针对常见水泥浆易发生失稳的几种情况( 低密度、高密度、高温) 进行了相关实验评价,如表3所示:
由表3可以看出,无论哪种失稳类型,具体均表现为稠化曲线异常,或游离液过多,在加入一定量的自制悬浮稳定剂SS-10L后,水泥浆稳定性得到改善,稠化曲线正常,游离液减少,水泥浆整体性能良好。
2. 3 SS-10L 对水泥浆性能的影响
按表4中配方配制水泥浆,并考察SS-10L对水泥浆稠化时间、抗压强度等常规性能的影响,结果如表4所示。
由表4中的实验数据可以看出,在水泥浆中加入不同量的SS-10L后,水泥浆稠化时间、抗压强度等常规性能基本没有变化,说明SS-10L与常见固井水泥外加剂具有良好的配伍性,但随着SS-10L加量的增大,水泥浆逐渐增稠,稠度系数逐渐增大,为了保证水泥浆流变性能,其加量不宜过大。
bwoc: by weight of cement,以水泥重量百分比计;
2. 4 SS-10L 对现场水泥浆的改善
SS-10L已在现场试用,并成功解决了现场水泥浆体系悬浮性能不足,稳定性差的问题,如表5所示
从表5中可以看出,SS-10L对现场水泥浆的稳定性有很大的改善,水泥浆无沉降、无自由液,稠化曲线稠度不下降,且没有发生包芯等现象。同时,对水泥浆常规性能无太大影响。现场试用结果表明,SS-10L是一种性能优良的固井用悬浮稳定剂。
3 结论
1) 以温伦胶作为主要悬浮组分,并通过复配无机悬浮组分B、助剂C,成功得到一种适用于固井水泥浆的悬浮稳定剂SS-10L。
2) SS-10L具有很好的悬浮稳定作用,且加量极低,具有很高的性价比,同时具有与常见外加剂很好的相容性,对水泥浆常规性能无影响等优点。
3) 现场试用结果表明,SS-10L对水泥浆悬浮性能具有很好的改善,水泥浆性能优良,固井质量得到改善,可用于油田固井。
摘要：油田固井中低密度及高密度水泥浆通常存在悬浮稳定性较差的问题。尤其温度较高时,水泥浆中各物相热运动加剧,也易造成浆体沉降失稳,进而影响固井施工安全及固井质量。研制了一种固井用悬浮稳定剂SS-10L,由温伦胶(有机悬浮组分)、矿物B(无机悬浮组分)及表面活性剂C(稳定剂)组成。实验结果表明:SS-10L对水泥浆具有良好的悬浮稳定作用,且不影响水泥浆常规性能,是一种性能优良的固井用悬浮稳定剂。
关键词：水泥浆,固井,水泥浆稳定性,悬浮稳定剂,固井质量
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