● 摘要
本课题来源于“卫星新型高精度长寿命磁悬浮反作用飞轮工程化技术与应用研究”（国家民用航天预研项目）。磁悬浮飞轮以磁轴承替代常规的机械轴承支承，可以从根本上解决传统飞轮所存在的摩擦和振动问题，不仅具有高精度、长寿命、高转速等突出优点，而且在可靠性、体积和功耗等方面都存在优势。控制系统是磁轴承—转子系统的关键环节，本文针对磁悬浮转子系统的鲁棒控制方案设计以及实现该控制算法的数字控制系统进行研究，实现了磁轴承—转子系统的高精度鲁棒控制。 本文主要内容包括：针对磁悬浮反作用飞轮高精度主动振动控制的要求，建立了含有不平衡量的转子动力学模型，在此模型的基础上，提出了四种磁轴承—转子系统的滑模变结构控制方案，用于解决系统中存在的不平衡量、非线性和外界干扰。其中，快速Terminal滑模变结构控制与离散模糊自适应滑模变结构控制适应单自由度，而且前者采用非线性滑模面使得系统状态能在有限时间收敛，后者采用模糊控制实现增益自适应调节以此削弱抖振，基于线性矩阵不等式的滑模变结构控制以及基于频率整形滑模面的滑模变结构控制针对两自由度，前者实现了控制参数的优化设计，后者通过H∞优化滑模面抑制未建模动态，这些控制方案都得到了仿真验证。结果表明，转子围绕惯性主轴旋转，达到了自动平衡，实现了磁轴承—转子系统的高精度鲁棒控制。同时，由于所设计的控制方案具有控制电流小的优点，系统功耗得到极大降低。 在所设计控制方案的基础上，分析了磁轴承—转子系统鲁棒控制算法对数字控制系统的要求，选用TMS320C6713浮点型DSP作为数字控制算法和转速计算的主处理器，Xilinx Spartan3的FPGA则用于位移、电流信号的采样以及转速计数，实现了基于DSP与 FPGA的硬件数字控制平台。本数字控制系统不但具备很强的运算能力和很高的通信速度，而且实现了上位机与FPGA实时通信，进一步提高了磁悬浮反作用飞轮磁轴承—转子系统的控制精度。在此数字控制系统基础上，初步研究了磁轴承—转子系统的离散模糊自适应滑模变结构控制方案的实验。