磁悬浮飞轮滑模变结构研究

一、课题研究背景及意义

磁悬浮飞轮是采用磁轴承作为支撑的，这使飞轮具备了无接触、无摩擦、能耗低、高精度、长寿命、无油污染、可实现超高转速等一系列的优良特性。所以说，磁悬浮飞轮特别适用于高速、真空、超净等特殊环境[1-2]。它被广泛应用在航空航天、真空技术、转子动力学等高科技领域，对于人类走出地球有着十分重要的作用，被公认为最有前途的新型轴承。随着现代工业的发展，对于旋转机械提出的性能要求也变的越来越苛刻，过去常用的滚珠轴承因为轴与轴承之间存在机械接触在一些需要高精度作业的设备上变得不再适用[3]。比如在能源化工机械中，要求转子的旋转速度个精度越来越高、转子和定子之间的间隙越小越好以追求更高的效率；而对于一些需要在极端环境下工作的旋转机械来说，除了其自身需要承受严酷的环境的考验之外，它的可靠性、可控性、安全性对于每一位操作人员的生命安全保障十分重要。所以说，磁悬浮飞轮比较过去的一些相同装置，不仅仅是使转子系统省去了复杂的润滑装置，而且使磁轴承的优越性得到了充分的发挥。

对于大多数的控制方法（如：PID控制、最优控制、极点配置等方法）来说，一旦参数整定好，控制律也就唯一确定了[4]。但是，不同于一般的控制方法，变结构控制系统中的滑动模态在一定的条件下对系统模型摄动和外扰动具有不变性，这个突出的优点使该方法在磁悬浮飞轮研究领域颇受青睐。滑模变结构控制根据当前系统的状态，通过对控制量的切换使系统状态沿着滑模面滑动，从而使得它与系统参数摄动和外干扰无关[5-8]。另外，由于变结构控制中可变因数很多，为磁悬浮飞轮的控制系统的设计提供了多种方案。

因此，对于磁悬浮飞轮滑模变结构控制的研究对于现代工业与航天航空事业的发展有着极为重要的意义。本课题以此为背景，研究磁悬浮飞轮滑模变结构控制。

二、国内外现状

从20世纪60年代开始,国际上发达国家就开始进行磁悬浮飞轮的理论与实验研究工作,积极进行空间环境及飞行器实验研究,取得了很大进展,有力地推动了磁悬浮飞轮的发展与应用。

进入60年代以后,由于微电子器件、先进磁性材料及现代控制理论等相关学科领域技术的发展,法国、日本、美国、前苏联等国纷纷开始投入人力、物力进行主动磁悬浮支承技术研究,不少国家已具备相当的研制与应用能力。1969年,法国军部科研实验室(LRBA)开始磁悬浮轴承研究;1972年,他们第一个磁悬浮轴承用于通讯卫星导向轮的支承上,从而揭开了磁悬浮轴承在航天器上应用的序幕。此后,磁悬浮轴承很快被应用到国防、航天等各个尖端技术领域。磁悬浮轴承技术作为悬浮动量飞轮的核心技术,是随着对磁悬浮和相关技术的研究深入而发展起来的。从1988年至今,已连续举行了九届国际磁轴承研讨会,不断将磁悬浮轴承的研究和应用引向深入。目前,国外已经可以将电磁轴承作为比较成熟的工业产品投入应用。由于利用磁悬浮轴承技术研制的磁悬浮飞轮具有较高的性能,在工业电磁轴承技术发展的带动下,近20年来,美国、俄罗斯、欧洲和日本等航天发达国家纷纷开展了各种不同用途的磁悬浮飞轮研制工作。

日本的磁悬浮飞轮技术的研究起步于70年代末,发展迅速。在航空宇宙技术研究所(NAL)的组织下,东芝公司、日立公司、三菱中央电机研究所、东京电机大学等单位研制了单轴、两轴、三轴、四轴、五轴主动控制等五种类型、九种型号的磁悬浮飞轮[9]。1986年8月,其两轴主动控制型的磁轴承飞轮利用H-1火箭发射至1500Km高度、50#176;倾角的轨道上进行了空间试验,得到了较为满意的结果。三菱中央电机研究所为50Kg级微型航天器研制的两轴主动控制型磁轴承飞轮重量仅1.5Kg,直径100mm,转速6000RPM,角动量0.2Nms。

在磁轴承、复合材料转子以及能量转换器等先进技术的发展基础上,NASA从80年代初开始研究磁悬浮飞轮集成电源与姿态控制系统(IPACS)技术。IPACS技术利用高速旋转的磁悬浮飞轮储存能量,同时利用飞轮具有的角动量对飞行器进行姿态控制。1990年,由SatCon公司提出的IPACS的一个重要创新之处是采用了大角度万向磁轴承技术,它利用球形曲面的电枢和定子,可以使转子的自旋轴在#177;20#176;的范围内偏置,因此只用一个飞轮可以实现飞行器三轴姿态的主动控制。