立式飞轮电池磁悬浮轴承μ控制器设计与仿真

摘要

飞轮电池是一种革命性的储能方式，具有储能密度高、绿色无污染的优点，是当今各国研究的热点之一。磁悬浮轴承作为一种无接触的支承技术，是飞轮电池的重要部件。本文首先讨论了立式飞轮转子的转子动力学分析与结构优化方法方面的问题，并重点探讨了磁悬浮轴承μ控制器的设计问题。
　　 为保证高速飞轮转子平稳运行，有必要对其进行转子动力学分析以确定其临界转速以及不平衡响应。讨论了不同径向轴承刚度对临界转速的影响。在此基础上，为减小转子不平衡响应，采用梯度投影法，以飞轮转子各关键结点位移振幅最小为优化目标，以飞轮转子各轴段长度为优化变量对转子结构进行了优化设计。优化后最大位移振幅减小了40％，平均减小11％，达到了良好的优化效果。
　　 控制器是磁悬浮轴承设计的核心。本文设计了基于μ分析与综合理论的轴向磁悬浮轴承单自由度控制器和径向磁悬浮轴承四自由度集中控制器。轴向控制器方面，由于转子在轴向上采用永磁和电磁轴承混合的设计，永磁力在线性化方面造成一定误差。为保证转子稳定悬浮，本文以永磁力位移刚度和位移传感器温度漂移为不确定量，设计了轴向磁悬浮轴承的μ控制器。仿真表明，控制器能够实现转子的起浮与稳定悬浮，并具有一定的抗干扰能力。径向轴承方面，通过对径向四自由度模型分析表明系统存在陀螺耦合，即系统参数与转速相关。为解决这一问题，本文以转速为不确定量，以最高工作转速的一半时的模型为标称模型，结合位移传感器温度漂移不确定性，设计了径向4自由度集中控制的μ控制器。仿真表明该控制器具有良好的响应性能，能满足工作要求。