● 摘要
磁悬浮飞轮其转子由磁轴承无接触悬浮支承，具有无摩擦、微振动、无需润滑系统等特点，被认为是高精度、高可靠、长寿命卫星理想的姿态执行机构，广泛应用于卫星的姿态控制和稳定。主被动磁悬浮飞轮由于转子的部分自由度由无源永磁轴承被动稳定悬浮，在功耗、可靠性、寿命以及控制系统和结构复杂度等方面较全主动磁悬浮飞轮更具优势。本论文就主被动磁悬浮飞轮的解耦高精度控制以及输出振动抑制问题，着重从系统模型、非线性控制方法、平衡方法以及控制系统中的电涡流位移传感器四个方面进行了以下研究。1、针对径向永磁偏置混合主动磁轴承（简称主动磁轴承）控制所需的动力学模型问题以及飞轮转子被动自由度的稳定性问题，利用等效磁路分析方法计算得到了支承飞轮转子的两自由度主动磁轴承的径向电磁力模型，并对电磁力的非线性和耦合特性进行了定量分析。利用磁荷积分法计算得到了支承飞轮转子的三自由度被动磁轴承轴向力、径向力以及径向力矩模型，对被动磁轴承在各个自由度上的相互耦合关系进行了定量分析，对三个被动自由度的稳定性进行了分析。根据所得的动力学模型，分析了被动磁轴承对主动磁轴承的影响，通过实验验证了模型的正确性。2、针对主被动磁悬浮飞轮的转子主动自由度受不可控被动自由度的干扰耦合问题，为实现主动自由度各通道间的解耦高精度控制，设计了一种主动磁轴承的基于状态反馈精确线性化模型的LQR 最优控制器。理论分析和实验结果表明，通过该方法提高了对转子位移量的控制精度以及对外界扰动的抑制能力，并显著减弱转子在不同自由度之间的耦合，有效抑制被动磁轴承对主动磁轴承的影响，解决了受被动磁轴承影响的主动磁轴承的高精度解耦控制问题。3、针对主被动磁悬浮飞轮中的抑制不平衡振动、提高角动量矢量H 方向精度、减小控制电流的问题，以及受残余偶不平衡影响的被动自由度无法利用电磁力进行主动振动控制的问题，提出了一种自驱动平衡方法。实验结果表明，通过自驱动平衡方法能同时抑制转子的位移跳动量（提高H 方向精度）、同频振动输出以及线圈控制电流，解决了存在不可控被动自由度的磁悬浮飞轮转子的高精度不平衡补偿问题。4、针对主被动磁悬浮飞轮在轴向自由度上保护间隙大，需要监测的位移跳动量大，而传感器探头直径受限、调理电路复杂性受限等问题，提出了一种双线圈探头结构的大量程电涡流位移传感器，利用圆周向并列布置双线圈的方法，增加探头线圈的品质因素值，增强探头线圈高频激励信号在检测面激励的电涡流分布。理论分析和实验结果表明，采用双线圈探头能够有效的扩大电涡流位移传感器的线性探测范围，同时检测环直径和探头线圈参数保持不变，解决了主被动磁悬浮飞轮大轴向间隙高精度测量的问题。最后，基于以上理论分析结果，结合实际的主被动磁悬浮飞轮工程样机进行了相关的实验研究和验证，对主被动磁悬浮飞轮进行了详细的性能指标测试，为主被动磁悬浮飞轮的空间搭载和应用奠定了坚实的基础。