● 摘要
磁悬浮飞轮转子系统采用磁轴承作为转子支承方式，相比机械轴承支承方式，具有无摩擦、微震动、无需润滑等优点，被认为是高精度、高可靠性、长寿命卫星理想的姿态执行机构。相比于普通磁悬浮转子，采用含超导磁轴承的磁悬浮转子系统，由于超导磁悬浮能提供轴向支承力和径向回复力，在稳定性、功耗、储能等方面更有优势。此外，通过大范围偏转可使飞轮转子输出力矩，采用锥形磁轴承支承转子，洛伦兹力磁轴承控制转子的大范围主动偏转。但上述两种磁悬浮转子支承方式均面临着悬浮稳定性问题。 本文就两种新型磁悬浮支承方式的磁悬浮转子进行稳定控制研究，着重从含超导磁轴承的转子动力学建模及稳定性控制、锥形磁轴承和洛伦兹力磁轴承支承转子动力学建模及转子偏转时的自适应稳定控制四个方面进行研究： 1、针对含超导磁轴承的转子动力学建模，在稳定悬浮气隙内得到超导磁悬浮力的线性化模型，建立含超导磁轴承的转子动力学模型。通过劳斯判据分析含超导磁轴承的转子稳定性，验证超导磁轴承的自稳定性对于高速磁悬浮转子稳定性的影响。 2、针对由超导磁轴承引入的径向平动与偏转的耦合问题，在控制器的输入端和输出端设计解耦矩阵，使控制系统实现解耦控制。此外，针对含超导磁轴承的高速磁悬浮转子的强陀螺效应，设计交叉反馈控制算法，通过引入超导刚度作为反馈控制量抑制高速转子的强陀螺效应。 3、针对锥形磁轴承的复杂力学模型，根据等效磁路法建立锥形磁轴承在径向气隙和锥面气隙内的力学模型。结合锥形磁轴承支承的转子受力分析，在稳定悬浮情况下建立子动力学模型，设计基于PID控制器的磁悬浮转子控制系统，并验证锥形磁轴承与洛伦兹力磁轴承支承的磁悬浮转子稳定性和有效偏转。 4、针对磁悬浮转子大范围偏转影响转子的悬浮稳定性，分析偏转情况下转子的受力情况，尤其是转子偏转对于径向平动稳定性的影响。再设计基于李雅普诺夫稳定性原理的自适应控制器，通过实验验证磁悬浮转子偏转时悬浮稳定性和偏转精度比普通PID控制更高。