文 献 综 述

一.课题研究背景及意义

在全球能源短缺的情况下，在目前的耗能设备和耗能方式的前提之下，全世界总能量的50%-70%被白白地浪费掉[1]。因此，当下的重要研究方向是在开发新能源的同时，研究如何回收存储被浪费的能源。当下的储能方式主要有化学储能、物理储能和超导储能[2]。长期以来，电能的储存一般采用的是化学蓄电池，化学储能技术比较成熟，并且已得到广泛的应用，但它使用寿命短受外界影响显著，对环境污染严重；超导储能对技术要求高，对环境要求苛刻，暂时还不适合大规模应用。物理储能是应用物理方法将能量存储起来，不存在对环境的污染问题，因此比较适合当今的发展要求。由于超导电磁能量储存技术尚不成熟，不能被广泛的应用[3]。而飞轮储能已经是较成熟的技术，且其具有使用寿命长、功率密度和储能密度高、基本上不受充放电次数的限制、安装维护方便、对环境无危害等优点，这些都是化学蓄电池无可比拟的优越性。物理储能方式主要有抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能。在这几种物理储能方式中，飞轮储能以其在使用寿命、充电时间、效率方面的突出特点得到广泛的关注[4]。本课题以此为背景，研究磁悬浮飞轮交叉反馈控制。

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，有力地推进了磁悬浮飞轮的发展与应用[5]。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撑技术研究，不少国家已经具备相当的研制和应用能力。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撑上，从而揭开了磁悬浮轴承在航天器上应用的序幕。此外，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。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。我国磁悬浮轴承研究始于60年代，但由于历史原因，直到70年代末才开始真正意义上的研究。国内一些科学研究单位，进行了这方面的研究工作，以自主开发的形式进行了以工业应用为目标的磁轴承研究。如国防科技大学在国防科工委”八五”预研项目基金资助下，开展了以航天应用为目的磁悬浮飞轮技术研究。在该项目研究中，对磁轴承的被动稳定悬浮特性进行了分析，进行了主动悬浮控制实验，实现了稳定悬浮和可靠运行。”十五”期间，在国防预先研究、国防技术基础研究等支持下，国防科技大学、上海航天局812所、北京航空航天大学等开展了以空间应用 为目的的磁悬浮飞轮技术研究。目前，已在磁悬浮飞轮关键技术方面得到重要发展。

刘鹏介绍了磁悬浮飞轮的优点及其分类，综述了应用于卫星姿态控制执行机构的磁悬浮飞轮的发展历史与研究现状。阐述了两轴主动控制型磁悬浮飞轮应用于卫星姿态控制的适应性，展望了磁悬浮飞轮技术未来应用的发展方向。

张剀通过对磁悬浮飞轮陀螺力学进行研究，并分析电磁力对转子章动、进动特性的影响将磁轴承电磁力对飞轮转子的作用分为四种基本支承成分，分别讨论它们对转子章动与进动稳定性的不同影响[5 6]。

孟猛为了进一步减小磁悬浮飞轮的振动力和力矩，建立并分析了一种特殊结构的磁悬浮飞轮的微振动模型，并利用微振动测量平台、数据采集分析硬件和软件，通过试验测量了磁悬浮飞轮6个自由度的振动力和力矩[7 8 9]。

田希晖认为磁悬浮飞轮转子在高速下表现出的陀螺效应是影响系统稳定性的主要因素。为了提高磁悬浮飞轮的失稳转速，针对陀螺效应引起的系统章动失稳和进动失稳，提出了一种基于转速的增益预调交叉反馈控制方法，针对不同的转速段，建立在线控制相对应用的交叉反馈通道增益和带宽参数表，对进动模态和章动模态分别实现交叉相位补偿。采用该控制方法用经典控制论中的根轨迹法对系统的章动稳定性进行了仿真并对控制参数进行了优化。仿真和实验结果表明，采用这种基于转速的增益预调交叉反馈的控制算法，能够有效地抑制磁悬浮飞轮转子陀螺效应所导致的章动失稳，所涉及的磁悬浮飞轮原理样机能够稳定运行在其额定转速30000r/min[10 11 12]。