文 献 综 述

一．课题研究背景及意义

现代社会，节能是时代主题，要想达到节能减排的目的，从根本上就应该多减少能量的损耗。目前磁悬浮就是为了减少摩擦来实现降低动能的损耗。磁悬浮轴承是一种新型的轴承形式，与现在的滚珠轴承等传统支承形式相比，实现了轴与轴承的无接触，消除了机械摩擦，无需润滑系统，低功耗，可超高速运转，对各种恶劣环境有很好的适应性，同时通过对转子进行主动振动控制，能够有效的抑制转子的各种振动，因此无振动污染，性能优良[1]。目前已经应用在多种旋转机械上，比如透平旋转机械、储能飞轮和力矩陀螺系统以及机械加工的铣削和磨削机床上等众多领域，有效地改善了设备性能。

采用磁悬浮轴承的磁悬浮飞轮系统，由于没有摩擦力矩的影响，其控制力矩可以非常精确的作用在各种场合，提高各种控制系统的控制精度和稳定度，同时也能克服现在常用的滚珠轴承飞轮对一般的控制系统带来的振动等不良影响，较好地改善控制系统总体性能。而且不需要复杂的润滑系统，其寿命取决于电子控制系统，可以实现长寿命的运行。因为其稳定性高，将在未来的各种动作系统中有广泛应用。

磁悬浮轴承从控制形式上可分为主动控制和被动稳定型，被动稳定又有常温悬浮和超导悬浮[2]。从控制自由度上可分为：单轴、两轴、三轴、四轴和五轴主动控制这几种形式。总的来讲，主动控制自由度越多，系统越复杂，功耗也成倍增加。被动稳定是采用磁极面间的散磁通产生恢复力，因此被动稳定与主动控制相比，其刚度要小。被动稳定可采用永磁体实现，无功耗，非常适合于空间应用。

对磁悬浮飞轮设备的调用控制，可以通过各种编程语言来实现，比如说PLC、LQR等编程语言[3-4]。LQR中文叫线性二次型调节器，其对象是现代控制理论中以状态空间形式给出的线性系统，而目标函数为对象状态和控制输入的二次型函数。MATLAB一般用于电力电子、电力系统的仿真，这就为LQR理论仿真提供了条件[5]。本课题以此为背景，介绍LQR控制在磁悬浮飞轮领域的应用。

二．国内外现状

目前，国际上各国对磁悬浮轴承的研究工作非常活跃。现在，美国、法国、瑞士、日本和我国都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作。国际上的这些努力推动了磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。国内对磁悬浮轴承的研究工作起步相对较晚，尚还在实验室阶段，落后于外国。还有待进一步的研究。而目前在工业上得到广泛应用的基本上都是传统的磁悬浮轴承。由于传感器的存在，是磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大，系统的动态性能降低，而且成本高，可靠性低。由于结构的限制，传感器不能装在磁悬浮轴承中间，使系统的控制方式相互耦合，控制器设计更为复杂。另外，由于传感器的价格较高，大大限制磁悬浮在国内工业上的推广应用[6]。

如何降低磁悬浮轴承的价格，一直都是国际上的热门话题。最近几年，结合磁悬浮轴承和无传感器检测两大研究领域的最新研究成果，诞生了一个全新的研究方向：无传感器的磁悬浮轴承。既不需要设计专门的位移传感器，转子的位移式根据电磁线圈上的电流和电压信号而得到的。这类磁悬浮轴承在一下几个方面得到了显著的改善和提高：转子的轴向尺寸变小，系统的动态性能得到提高；进一步提高了磁悬浮轴承的可靠性；便于设计磁悬浮轴承的控制器；价格会显著下降。

虞烈[7]针对磁悬浮转子系统的控制，围绕电磁轴承以及系统动力学，就电磁场理论，电磁轴承的静、动态性能进行相关的介绍。