题目：高精度快响应磁悬浮飞轮输出力矩控制方法研究

 

姿态执行机构的高精度、快响应控制是高分辨率对地观测卫星的主要技术瓶颈之一，本文以我国第一颗新技术试验卫星用磁悬浮飞轮型号产品的电机控制系统为研究对象，围绕磁悬浮飞轮的高精度和快响应两大难题进行研究，从工程的观点出发根据控制系统的实际特点提出解决问题的思路和可行的方法，为工程中遇到的种种技术难题提供理论支持，并指导工程实践。本文主要完成了以下创新性研究工作：

（1）针对飞轮电机采用无铁芯定子从而导致力矩脉动过大的问题，本文分析了影响飞轮电机电磁力矩控制性能的因素，提出了一种高精度瞬时力矩估计方法与瞬时力矩控制方法，实现了小电感电机的高精度电磁力矩控制。本文通过对霍尔位置信息的标定与修正获得了准确的转子位置、速度反馈信息，通过对反电势波形函数的拟合改进了瞬时力矩的实时估计性能；通过设计不对称补偿函数降低了电机三相绕组不对称力矩脉动，通过计算最优占空比延迟关断相的关断时间减小了电机换相区脉动。本方法有效地解决了小电感电机电磁力矩脉动过大的问题。

（2）针对飞轮四象限运行时能耗制动工作范围有限，反接制动力矩脉动严重的问题，本文提出了一种将能耗制动与反接制动相结合的控制方法，并对制动力矩控制方法予以改进，实现了飞轮的高效平稳制动。本文根据磁性材料的温度系数实时修正力矩估计值解决了环境温度变化时永磁体退磁对系统性能的影响，通过设计能耗制动预测控制方法抑制了能耗制动过程中由于驱动系统电压波动引起的力矩脉动，通过改进电流采样与处理方法降低了反接制动过程中变换器调制引起的力矩脉动，并在此基础上对不同的调制方式予以分析，给出了不同制动模式的工作条件。本方法有效地提高了飞轮制动力矩的控制性能。

（3）由于转子悬浮，磁悬浮飞轮消除了摩擦干扰，但是转子的跳动导致电机气隙磁场的畸变并引起检测转速的波动。为此，本文详细的分析了转子跳动对有铁芯与无铁芯电机气隙磁场的影响，提出了基于陷波器与基于实时转速修正的同频正弦干扰抑制方法，并在此基础上设计加速度干扰观测器解决了机械飞轮与磁悬浮飞轮的共性扰动抑制问题。将所设计的同频正弦干扰抑制方法与加速度干扰观测器相结合可以有效地抑制飞轮系统的内外扰动。

（4）针对飞轮转动惯量大、转速反馈频率低，采用速率模式时系统动态性能差以及系统数字实现过程中计算延时与传输延时导致系统稳态性能降低的问题，本文提出了一种基于参数辨识的自适应前馈与反馈复合控制方法，既可以消除余差实现系统稳定又可以改善系统的动态性能，并在此基础上对数字控制系统各延迟因素进行详细的分析，提出了数字信号延时补偿方法。另外，本文通过设计跟踪误差消除控制器提高了转速的跟踪性能。本方法可以有效地改善速率模式飞轮控制系统的动态性能与稳态性能。

最后，以上述控制方法理论研究为基础，结合实际地进行了相关实验研究。首先对磁悬浮飞轮电机硬件系统设计与软件系统设计进行了介绍。其次，给出了磁悬浮飞轮正样产品电机性能测试结果与环境实验性能测试结果。

本文所取得的研究成果已成功应用于我国磁悬浮飞轮原理样机，为磁悬浮飞轮型号产品的研制和应用奠定了必要的理论基础和技术支持。