作為衛(wèi)星姿態(tài)控制的磁懸浮軸承研究的一部分，瑞士電子與微技術(shù)中心（CSEM）的兩名工程師正在使用Kistler的測(cè)力臺(tái)設(shè)備來測(cè)試一種新型磁懸浮軸承反作用輪的微振動(dòng)。基于精確的微振動(dòng)測(cè)量，他們能夠驗(yàn)證控制算法的有效性--這種控制算法能夠在整個(gè)速度范圍內(nèi)主動(dòng)抑制同步振動(dòng)，干擾和功耗減少，從而實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速。

2019年，瑞士電子與微技術(shù)中心（CSEM）慶祝了35年的技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)移。這一研究機(jī)構(gòu)總部設(shè)在瑞士納沙泰爾，最初與制表行業(yè)有著密切的聯(lián)系：多年來已發(fā)展成為一個(gè)真正多功能的歐洲研發(fā)和技術(shù)的核心，最重要的是，它是瑞士及其他地區(qū)大學(xué)和行業(yè)客戶的寶貴合作伙伴。CSEM是一個(gè)非盈利組織，現(xiàn)在雇用了500多名研究人員和工程師，他們專注于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：可再生能源、生物醫(yī)療技術(shù)、微系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化，量子和激光技術(shù)以及科學(xué)儀器（包括空間應(yīng)用新技術(shù)的開發(fā)，如增材制造、柔性和磁懸浮致動(dòng)器）。

圖片先進(jìn)衛(wèi)星測(cè)試的重點(diǎn)是防止由機(jī)載執(zhí)行器引起的微振動(dòng)，這可能（例如）降低相機(jī)圖像的質(zhì)量。

空間技術(shù)創(chuàng)新

在空間技術(shù)領(lǐng)域，CSEM多年來一直是歐洲航天局（ESA）的合作伙伴。他們聯(lián)合研究的一個(gè)重點(diǎn)——也是ESA中期戰(zhàn)略的一部分——消除衛(wèi)星上來自零部件產(chǎn)生的振動(dòng)干擾。這些微振動(dòng)不僅限制了衛(wèi)星姿態(tài)控制的精度，還會(huì)導(dǎo)致更高的能耗和圖像質(zhì)量惡化（成像任務(wù)時(shí)）。

在振源或有效載荷處有不同的方法來消除干擾振動(dòng)。作為不同探索方法的一部分，CSEM目前有幾個(gè)項(xiàng)目--重點(diǎn)分別是數(shù)值模型、主動(dòng)-被動(dòng)減振以及基于算法的抑制。在其中一個(gè)項(xiàng)目中，CSEM及其合作伙伴正在研究一種基于磁懸浮的創(chuàng)新技術(shù)。CSEM微振動(dòng)設(shè)備負(fù)責(zé)人Leopoldo Rossini報(bào)告說：“在奇石樂測(cè)量技術(shù)的支持下，我們對(duì)一個(gè)磁懸浮軸承的反作用輪原型產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試。而瑞士Celeroton公司的這項(xiàng)技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如無摩擦、幾乎無限的使用壽命、通過控制主動(dòng)抑制不必要振動(dòng)，以及在更高速度下實(shí)現(xiàn)更高性能。”

在位于納沙泰爾的CSEM中，Kistler高靈敏度、定制化的多分量測(cè)力臺(tái)（包含4個(gè)壓電式力傳感器）正在測(cè)試磁懸浮軸承反作用輪 。

極低振動(dòng)的先進(jìn)衛(wèi)星部件

CSEM工程師使用Kistler的測(cè)量鏈來測(cè)試反作用輪的振動(dòng)。定制化、一體設(shè)計(jì)的測(cè)力臺(tái)包括四個(gè)壓電式三分量力傳感器，安裝在兩個(gè)預(yù)緊板之間，以此達(dá)到最大機(jī)械剛度（見圖）。該測(cè)力臺(tái)安裝在具有四個(gè)主動(dòng)氣動(dòng)隔振的花崗巖臺(tái)面上，以盡可能消除外部環(huán)境影響。由于微振動(dòng)發(fā)生在mN范圍內(nèi)，因此需要一個(gè)高靈敏度、低噪聲的測(cè)量鏈。除了反作用輪外，還可以將步進(jìn)電機(jī)和制冷機(jī)等各種執(zhí)行器放置在測(cè)力臺(tái)上用來進(jìn)行測(cè)試。

在磁懸浮反作用輪工作情況時(shí)，轉(zhuǎn)速范圍為±20000rmp：這使得能夠抑制運(yùn)行期間產(chǎn)生的主要振動(dòng)多重諧波力的抑制算法有效性得到充分驗(yàn)證。CSEM的研發(fā)工程師Guzmán Borque Gallego說：“由于磁懸浮幾乎無摩擦，因此此技術(shù)也會(huì)帶來更多應(yīng)用機(jī)會(huì)。它讓我們幾乎可以自由地定位轉(zhuǎn)子，使振動(dòng)最小化——例如，讓轉(zhuǎn)子繞其慣性主軸旋轉(zhuǎn)，以抑制與轉(zhuǎn)子不平衡有關(guān)的振動(dòng)，從而減少損耗接近于零。”

“來自Kistler的設(shè)備非常理想，它為我們提供了非常高質(zhì)量的測(cè)試結(jié)果。”

——CSEM 研發(fā)工程師Guzmán Borque Gallego

在CSEM處測(cè)得的微振動(dòng)瀑布圖顯示了力的峰值振幅與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和頻率的函數(shù)關(guān)系（使用Kistler測(cè)力臺(tái)得出）。

精確的實(shí)時(shí)測(cè)量使閉環(huán)控制成為可能

Borque Gallego繼續(xù)補(bǔ)充道：“我們測(cè)量的力很小，在毫mN范圍內(nèi)，但即使是在μN(yùn)范圍內(nèi)，我們?nèi)匀豢梢钥吹讲町悺＿@允許對(duì)所有測(cè)量進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，從而在測(cè)試過程中獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。”數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由20 kHz采樣頻率的高速系統(tǒng)處理，由于測(cè)量準(zhǔn)確，可以清楚地識(shí)別控制算法帶來的效果（見圖表）。

Rossini補(bǔ)充道：“我們收到了來自合作伙伴和客戶的積極反饋，他們對(duì)此類數(shù)據(jù)有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。如果沒有Kistler的支持，這一切都不可能實(shí)現(xiàn)：他們的應(yīng)用專家Reinhard Bosshard在許多方面都為我們提供了幫助，例如幫助我們選擇合適的設(shè)備來完成最理想測(cè)量鏈。”

盡管研究人員最初打算使用具有數(shù)字輸出的LabAmp5167A，但最終還是選擇了Kistler公司的5080A電荷放大器，該放大器能夠更精確的測(cè)量，并且由于模擬信號(hào)傳輸，具有更高的實(shí)時(shí)測(cè)試能力。Rossini補(bǔ)充說：“我們很高興在這里擁有新的Kistler技術(shù)，因?yàn)槲覀冊(cè)跉W空局和德國(guó)的合作伙伴也將其用于檢測(cè)用途。這種設(shè)備非常堅(jiān)固，即使超過量程，也不會(huì)發(fā)生故障。現(xiàn)在已經(jīng)證明了它的能力，我們肯定會(huì)在未來微振動(dòng)領(lǐng)域的項(xiàng)目中和Kistler加速度傳感器一并使用。” 

Kistler的5080A多通道實(shí)驗(yàn)室電荷放大器在寬測(cè)量范圍內(nèi)提供高信號(hào)質(zhì)量，使其成為微振動(dòng)測(cè)力臺(tái)應(yīng)用的理想選擇。

為長(zhǎng)途太空旅行做最好的準(zhǔn)備

CSEM、Celeroton AG及其在德國(guó)的合作伙伴開發(fā)的磁懸浮軸承反作用輪技術(shù)可能會(huì)如何發(fā)展？會(huì)很快被發(fā)射到太空嗎？

“磁懸浮軸承反作用輪的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的：能產(chǎn)生比傳統(tǒng)反作用輪更低的振動(dòng)和更高的轉(zhuǎn)速，這意味著性能的提高以及尺寸和重量的減輕。由于沒有摩擦，沒有磨損，產(chǎn)品的壽命幾乎是無限的，” Borque Gallego強(qiáng)調(diào)。“這是一個(gè)引以為傲的項(xiàng)目，我們希望能進(jìn)入下一步：實(shí)際使用、測(cè)試，甚至與合作伙伴一起驗(yàn)證。”

兩位來自納沙泰爾的CSEM的科學(xué)家-- Leopoldo Rossini（左）和Guzmán Borque Gallego，以及Kistler提供的用于空間技術(shù)測(cè)試的多分量測(cè)力臺(tái)及后端分析的測(cè)試鏈。

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