● 摘要
飞轮又称角动量轮或惯性动量轮，是各类卫星等实现姿态控制和姿态稳定的核心惯性执行机构。根据实时指令，飞轮电机需要循环工作于升速与降速过程中。升速过程中，驱动电机工作于电动模式。高速阶段降速时，电机工作于能耗制动模式。低速阶段降速采用反接制动模式。电动模式已被广泛研究，然而很少有相关文献针对反接制动与能耗制动模式展开深入研究。
本文进行了以下几个方面的研究：
（1）介绍飞轮无刷直流电机控制系统，以及无刷直流电机基本结构及工作原理。根据无刷直流电机工作原理，对无刷直流电机各种运行状态建立动力学模型；
（2）相比于电动状态，能耗制动为非线性模型。本文根据奇异摄动分析理论，将飞轮系统分解为慢变子系统和快变子系统，并寻找子系统之间的相关函数。结合滑模变结构思想，设计滑模复合控制器，工作于能耗制动的电流模式与转速模式；
（3）针对传统的PWM-PWM分散PID控制具有较差的电流环控制性能等问题，本文分析其它调制方式对系统动态性能的影响。结合奇异摄动分析方法，提出同占空比/恒制动电压的复合控制器设计方法。此外，由于能耗制动和反接制动切换过程电路拓扑结构存在较大的变化，因此为了提高飞轮转速/力矩跟踪性能，本文设计一种新的制动方式，能工作于反接制动和能耗制动之间；
（4）在双框架主被动磁悬浮陀螺原理样机上，分别对基于奇异摄动分析设计的复合控制器在能耗制动，反接制动以及本文提出的新型制动方式下进行了实验验证。仿真结果与实验结果表明本论文提出的双时间尺度复合控制器能使磁悬浮飞轮在各种制动模式下具有较高精度的跟踪给定电流与转速，并且控制系统对系统参数摄动具有较好的鲁棒性能。