● 摘要
飞轮是卫星、载人飞船以及空间站等各类飞行器实现姿态控制的一种关键执行机构，而高速转子的支承方式是决定飞轮性能的重要因素。由于电磁轴承相对机械轴承有振动低、无摩擦等诸多优点而有利于提高飞轮的精度和寿命，因此磁悬浮飞轮成为飞轮研究的重要方向之一。功率放大器作为磁悬浮飞轮中电磁轴承控制系统的执行环节，其性能很大程度上也影响着磁悬浮飞轮电磁轴承控制系统的稳定性，因此研究磁悬浮飞轮用电磁轴承开关功率放大器具有十分重要的意义。本文针对磁悬浮飞轮用电磁轴承开关功率放大器主要进行了以下几个方面的研究。 采用传统两电平脉宽调制的电磁轴承开关功率放大器输出电流纹波较大，导致电磁轴承中产生的纹波损耗较大。提出了一种减小电磁轴承开关功率放大器输出电流纹波的控制方案，并实现了一种用于磁悬浮飞轮的电磁轴承低纹波开关功率放大器。该开关功率放大器具有传统两电平脉宽调制开关功率放大器输出电流波形质量好、动态响应快等优点，且控制方法简单，容易实现。通过计算机仿真和实验对该方案进行了验证，仿真与实验结果均证明了该方案对减小电磁轴承开关功率放大器输出电流纹波的可行性和有效性。 在分析磁悬浮飞轮用电磁轴承开关功率放大器工作原理的基础上，提出了一种基于MATLAB/Simulink的电磁轴承开关功率放大器统一建模方法。利用该方法所建模型的仿真结果与实验结果吻合较好，验证了该方法的正确性和有效性，从而为电磁轴承开关功率放大器的特性分析提供了一种可行的研究方法，并为实际电磁轴承开关功率放大器系统的电路设计和调试提供指导。 电磁轴承开关功率放大器本质上是一个非线性控制系统，通常在对电磁轴承控制系统进行分析时，将电磁轴承开关功率放大器的模型等效为一阶惯性环节的线性模型，其精度将直接影响磁轴承控制系统稳定性分析。提出了一种用于电磁轴承开关功率放大器的谐波线性化建模方法，并建立了电磁轴承开关功率放大器的谐波线性化模型。利用该模型对电磁轴承开关功率放大器的输出特性进行仿真，并将仿真结果同基于Simulink/PSB的电磁轴承开关功率放大器模型的仿真结果以及实验结果进行比较，结果基本吻合，验证了谐波线性化建模方法的可行性和有效性，从而为电磁轴承控制系统分析提供了一种可行的研究方法。 分析了电磁轴承开关功率放大器的输出电流纹波，提出了估算电流纹波的电流微分方程的精确解分析法和直线近似电流指数曲线分析法，从而为电磁轴承开关功率放大器输出电流纹波的定量描述提供了量化标准和理论依据。针对电磁轴承开关功率放大器的电流响应速度、力响应速度、同频允许的最大振幅以及不平衡的精度等方面进行了理论分析，参照这些分析可以为电磁轴承开关功率放大器的设计提供指导依据。