随着磁轴承技术的发展，磁悬浮飞轮技术研究受到了各国的普遍重视。磁 悬浮飞轮具有高转速、长寿命、低振动、低功耗，以及高储能密度等优点，在 航空航天、交通运输、电力能源等领域有着广泛的应用前景。特别是在航天应 用方面，磁悬浮飞轮即可用作动量轮进行姿态控制，又可以作为储能单元替代 蓄电池，从而实现姿控和储能的一体化。
磁悬浮飞轮控制技术是磁悬浮飞轮实现高速稳定运转的关键，为了实现大 动量、大储能密度，磁悬浮飞轮通常采用大惯量转子结构高速运转，由于其转 子动力学特性所固有的强陀螺耦合效应，当采用分散PID控制时，转子系统的 两个涡动模态——前向涡动(章动)和后向涡动(进动)，在高速时会因为低阻 尼而变得不稳定，使得飞轮系统无法达到额定转速。针对飞轮转子的陀螺效应 问题，已经提出了许多种控制方法，一类是以现代控制理论为基础的控制方法， 如增益规划H∞控制、滑模控制、鲁棒控制、自适应控制、非线性控制等，大都 要求数字实现，控制算法复杂，实时性不好。另一类则是传统的交叉反馈控制 方法，控制算法简单，即可以采用模拟电路实现，又可以数字实现，同时保证 良好的实时性。但是，现有的交叉反馈控制仅可以实现对低频后向涡动的控制， 对于高频涡动，则由于受到多种因素的限制，很难取得满意的控制效果，从而 成为制约磁悬浮飞轮实现高速稳定运转的最主要原因。

本发明的目的是：克服现有磁悬浮飞轮控制系统在飞轮转子后向涡动、 前向涡动稳定控制方面存在的不足，特别是解决磁悬浮飞轮高频涡动的稳定 控制问题，提供一种高转速大惯量磁悬浮飞轮在整个升、降速过程中，可以 同时对前向涡动和后向涡动实现稳定振动控制、简单实用的磁悬浮飞轮控制 系统。
本发明的技术解决方案是：一种高速磁悬浮飞轮稳定控制系统，包括 位移传感器、位移信号接口电路、转速检测电路、磁轴承控制器、磁轴承功 率放大驱动电路，其中磁轴承控制器由轴向磁轴承控制器和径向磁轴承控制 器组成。其特点在于：所述的径向磁轴承控制器由X向两端的2个分散PID 控制模块、Y向两端的2个分散PID控制模块及X向和Y向交叉反馈控制 模块组成。由位移传感器检测出飞轮径向X两端位移信号和径向Y两端位 移信号，经过位移信号接口电路后分为两路控制，其中一路分别送至4个分 散PID控制模块，用于实现飞轮的静态悬浮和低转速下的稳定控制；另一路， X向两端位移信号经过涡动检测器将X向涡动信号检测出后，送至X向交 叉反馈控制模块输入端，Y向两端位移信号经过涡动检测器将Y向涡动信号 检测出后，送至Y向交叉反馈控制模块的输入端，X向交叉反馈控制模块的 输出以相反的极性分别与Y向两端2个分散PID控制模块的输出相并联，Y 向交叉反馈控制模块的输出以相反的极性分别与X向两端2个分散PID控 制模块的输出相并联，整体上连接成X向、Y向交叉反馈控制模块输出之间 相互反相与X向、Y向PID控制模块输出交叉并联的反馈方式，用于实现 飞轮前向涡动和后向涡动的相位超前补偿控制；同时，转速检测电路将检测 到的飞轮转速信号分别送至X向和Y向交叉反馈控制模块，用于交叉反馈 控制模块跟踪飞轮转子的转速，以便能够随时调节其相位超前量和交叉反馈 量；经过相位超前补偿的X向和Y向共4路径向输出控制信号和1路轴向 输出控制信号经磁轴承功率放大驱动电路，生成控制电流送到磁轴承线圈， 实现对飞轮转子的闭环主动悬浮控制。
所述的交叉反馈控制模块由前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道和交 叉增益通道组成，可以实现不同转速下转子前向涡动和后向涡动信号的有效 分离、反相和变交叉增益控制。前向涡动滤波通道、后向涡动滤波通道与交 叉增益通道的连接方式，可以是前向涡动滤波通道与后向涡动滤波通道通过 加法器反相并联后，再与交叉增益通道相串联，也可以是前向涡动滤波通道、 后向涡动滤波通道分别与交叉增益通道先串联后，再通过加法器进行反相并 联，前向涡动滤波通道与后向涡动滤波通道的输入信号为由涡动检测器检测 得到的转子涡动信号，同时转速信号接入前向涡动滤波通道、后向涡动滤波 通道和交叉增益通道中。
所述的前向涡动滤波通道由前向涡动滤波器和前向涡动滤波增益可调 放大器串联组成，允许转子前向涡动频率信号通过。前向涡动滤波器可以是 高通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF)或跟随滤波器，前向涡动滤波器 的特征频率(截止频率或中心频率)、阶次、增益与飞轮转速相关联，可以 是跟随转速而变化的，也可以是固定的。所述的后向涡动滤波通道由后向涡 动滤波器和后向涡动滤波增益可调放大器串联组成，允许转子后向涡动频率 信号通过。后向涡动滤波器可以是低通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF) 或跟随滤波器，后向涡动滤波器的特征频率(截止频率或中心频率)、阶次、 增益与飞轮转速相关联，可以是跟随转速而变化的，也可以是固定的。所述 的交叉增益通道由交叉增益调节器组成，用于跟踪转速调节交叉控制量，其 增益放大倍数与转速相关联，可以是跟随转速而变化的，也可以是固定的。
本发明的原理是：本发明中的分散PID控制模块，实现磁悬浮飞轮的静 态悬浮和低转速下的稳定控制。在分散PID控制模块的基础上，同时并联引 入主要由前向涡动滤波器和后向涡动滤波器组成的交叉反馈控制模块，构成 能够实现飞轮转子径向运动部分解耦控制的多输入多输出(MIMO)控制系 统，将前向涡动和后向涡动进行分离，并根据转速的变化，有针对性地分别 调整后向涡动滤波通道和前向涡动滤波通道的交叉反馈控制量和相位超前 量，同时实现对前向涡动和后向涡动的相位超前补偿控制。另外，将飞轮转 速引入交叉反馈控制，使交叉反馈控制参数能够跟随转速的变化而不断调 整，从而实现磁悬浮飞轮系统在整个升、降速过程中的稳定悬浮。
其实现具体原理阐述如下：
(1)利用转子涡动与平动的差别，由涡动检测器将转子涡动从转子位 移检测信号中分离出来。
(2)利用前向涡动与后向涡动在振动频率上的差别，用前向涡动滤波 器和后向涡动滤波器实现其分离。
(3)由于前向涡动与后向涡动在涡动方向以及振动频率上的差别，采 用了相互反相的两条交叉反馈通道分别对前向涡动和后向涡动进行相位超 前补偿。其中前向涡动滤波通道主要实现对前向涡动的交叉反馈控制，后向 涡动滤波通道主要实现对后向涡动的交叉反馈控制。
(4)由于前向涡动和后向涡动的振动频率和幅度是随着转速、控制系 统参数的变化而变化的，在两条交叉反馈控制通道中均引入了转速信号，并 用于调整交叉反馈控制通道的交叉反馈控制量和相位超前量。
(5)相位超前补偿控制的实现主要是利用了转子涡动在不同几何检测 位置上的相位差别，滤波器的频率特性，以及控制矢量合成原理。
本发明与现有技术相比的优点在于：保留了传统分散PID控制系统控制 算法简单，易于参数整定、实现技术成熟的优点，用于磁悬浮飞轮转子的静 态悬浮和平动稳定控制，同时又克服了分散PID控制系统不能有针对性地对 飞轮转子涡动进行稳定控制的缺点。本发明的特点在于它增加了分别针对前 向涡动和后向涡动的交叉反馈控制模块，特别是解决了高频涡动的稳定控制 问题，从而可以防止磁悬浮飞轮由于陀螺效应引进的前向涡动和后向涡动失 稳，抑制其他与转速相关的各种涡动模态振动，有效提升飞轮的临界转速， 保证磁悬浮飞轮系统在整个升、降速过程中稳定运转。本发明所采用控制方 法灵活，控制系统设计简单，即可以采用模拟方法实现，也可以采用数字方 法实现。
附图说明
图1为本发明的一种磁悬浮飞轮控制系统构成示意图；
图2为本发明的一种磁悬浮飞轮径向磁轴承控制器原理框图；
图3为本发明的一种磁悬浮飞轮转子涡动示意图；
图4为本发明的一种交叉反馈控制模块原理框图；
图5为本发明的一种磁悬浮飞轮转子涡动无阻尼振荡频率随转速的变 化曲线；
图6为本发明的一种前向涡动滤波通道实施方式原理框图；
图7为本发明的一种交叉增益通道实施方式原理框图。

如图1所示，本发明包括位移传感器1、位移信号接口电路2、转速检 测电路4、磁轴承控制器5和磁轴承功率放大驱动电路6，位移信号接口电 路2，用于对磁悬浮飞轮转子位移传感器1检测得到的四个径向位移A端X 方向、Y方向位移，B端X方向、Y方向位移信号和一个轴向位移信号，进 行调零、高频噪声滤波；转速检测电路4，用于将飞轮转速脉冲信号进行隔 离、量化(可以是脉冲频率量、数字量或电压量，依据所用磁轴承控制器输 入接口类型来定)；磁轴承功率放大驱动电路6，用于将磁轴承控制器5的 五路输出控制信号(四路径向输出控制信号和一路轴向输出控制信号)转换 为驱动磁悬浮飞轮径向和轴向磁轴承线圈7的控制电流，从而实现磁悬浮飞 轮的闭环稳定悬浮。
如图1、2所示，磁轴承控制器5由轴向磁轴承控制器和径向磁轴承控 制器组成，其中径向磁轴承控制器是本发明的关键组成部分，如图2所示， Xa、Xb、Ya、Yb依次代表经位移信号接口电路2处理后得到的A端X向 位移、B端X向位移、A端Y向位移、B端Y向位移，相应的输出控制信 号依次为OUTxa、OUTxb、OUTya、OUTyb，Ω为经转速检测电路4处理 后得到的量化转速信号。
径向磁轴承控制器由分散PID控制模块8和交叉反馈控制模块9两部 分组成，两部分以相互交叉并联的方式11相连，组成多输入多输出(MIMO) 控制系统。分散PID控制模块8，主要用于实现磁悬浮飞轮径向的静态悬浮 和低转速下的稳定控制。交叉反馈控制模块9，则主要用于不同转速下前向 涡动和后向涡动的相位超前补偿控制。
如图2所示，由位移传感器1检测出飞轮径向X两端位移信号Xa、Xb， 径向Y两端位移信号Ya、Yb，经过位移信号接口电路2后分为两路控制， 其中一路分别送至四个分散PID控制模块8，用于实现飞轮的静态悬浮和低 转速下的稳定控制；另一路，X向两端位移信号Xa、Xb经过涡动检测器10 将X向涡动信号检测出后，送至X向交叉反馈控制模块9输入端，Y向两 端位移信号Ya、Yb经过涡动检测器10将Y向涡动信号检测出后，送至Y 向交叉反馈控制模块9的输入端，X向交叉反馈控制模块9的输出以相反的 极性分别与Y向两端两个分散PID控制模块8的输出相并联，Y向交叉反 馈控制模块9的输出以相反的极性分别与X向两端两个分散PID控制模块8 的输出相并联，整体上连接成X向、Y向交叉反馈控制模块输出之间相互反 相与X向、Y向PID控制模块输出交叉并联的反馈方式11，用于实现飞轮 前向涡动和后向涡动的相位超前补偿控制；同时，转速检测电路4将检测到 的飞轮转速信号分别送至X向和Y向交叉反馈控制模块9，用于交叉反馈控 制模块9跟踪飞轮转子3的转速，以便能够随时调节其相位超前量和交叉反 馈量。
上述分散PID控制模块8和交叉反馈控制模块9两部分之间的相互反 向交叉并联方式11依据所控转子涡动方向而定，为所控转子涡动提供相位 超前控制，涡动可以是前向涡动，也可以是后向涡动。相位超前控制的实现 主要是利用了转子涡动在不同几何检测位置上的相位关系。以图3为例，当 转子涡动方向如图3所示时(依据图1中的坐标定义及转子旋转方向，此时 的涡动为前向涡动)，则AX+处检测信号将超前AY+处检测信号90°，这 时将AX+处的位移信号用于交叉(负)反馈控制AY+处的转子运动，将起 到90°相位超前控制的作用；同理，若将AX+处的位移信号用于正反馈控 制AX+处的转子运动，还可以进一步得到180°相位超前控制的作用。在实 际应用中，可以根据实际系统相位滞后的严重程度不同进行选择。
如图4所示，交叉反馈控制模块9由前向涡动滤波通道、后向涡动滤波 通道和交叉增益通道组成，用于实现不同转速下转子前向涡动和后向涡动信 号的有效分离、反相和变交叉增益控制。前向涡动滤波通道由前向涡动滤波 器14和前向涡动滤波增益可调放大器(KH)15串联组成，前向涡动滤波器 可以是高通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF)或跟随滤波器，此例中为 高通滤波器，用于滤出高频前向涡动信号。后向涡动滤波通道由后向涡动滤 波器12和后向涡动滤波增益可调放大器(KL)13串联组成，后向涡动滤波 器可以是低通滤波器(LPF)、带通滤波器(BPF)或跟随滤波器，此例中 为低通滤波器，用于滤出低频后向涡动信号。两滤波通道通过加法器16以 相反的极性相并联。交叉增益通道由交叉增益调节器17组成，用于跟踪转 速调节交叉控制量。另外，本发明交叉反馈控制模块9还可以是前向涡动滤 波通道、后向涡动滤波通道分别与交叉增益通道先串联后，再通过加法器 16进行反相并联组成。前向涡动滤波通道与后向涡动滤波通道的输入信号 为由涡动检测器10检测得到的转子涡动信号，同时将转速信号Ω接入前向 涡动滤波通道、后向涡动滤波通道和交叉增益通道中，用于跟随转速变化调 整前向涡动滤波器14和后向涡动滤波器12的特征频率(截止频率或中心 频率)、阶次、增益，以及跟随转速变化调节交叉增益调节器17的增益放 大倍数。
为了对本发明交叉反馈控制模块的实施方式给予补充说明，图5给出了 一种磁悬浮飞轮转子涡动无阻尼振荡频率随转速的变化规律。当转子转速为 零时，转子涡动频率唯一，起始频率主要由控制系统增益决定。转速不为零 时，涡动频率分叉为前向涡动和后向涡动两个频率，其中前向涡动方向与转 子旋转方向相同，其涡动频率在图中用正值表示；后向涡动方向与转子旋转 方向相反，其涡动频率在图中用负值表示。随着转速的上升，前向涡动频率 不断增大，最后趋近于Jp/Je×Ω(Jp为飞轮转子极转动惯量，Je为飞轮转 子赤道转动惯量)；后向涡动频率不断减小，最后趋近于0。
为了使磁悬浮飞轮控制系统有更好的适应性，本实施例中前向涡动滤波 器和后向涡动滤波器的特征频率(截止频率或中心频率)、阶次、增益是可 调的，在实际应用中可以根据转速的变化，采用不同的滤波器特征频率、阶 次和增益，但也可以是固定不变的，视实际情况确定。在具体实施时，可以 依据转速变化，采用多路前向(后向)滤波通道分级切换的方法来实现。以 前向涡动滤波通道为例，如图6所示，可将前向涡动滤波通道分为多级，本 例采用了三级，高通滤波器(HPF1)21、高通滤波增益放大器(KH1)22 组成第一级，高通滤波器(HPF2)24、高通滤波增益放大器(KH2)25组 成第二级，高通滤波器(HPF3)27、高通滤波增益放大器(KH3)28组成 第三级，跟随转速Ω由低速，到中速，再到高速的变化，控制切换开关19 实现由第一级，到第二级，再到第三级的切换。
交叉增益通道的交叉增益调节器17，可以根据转速的变化，采用乘法 器，实现正比于转速的变增益放大，也可以采用多路交叉增益通道分级切换 的方法，实现可调增益放大，用于跟踪转速调节交叉控制量。但也可以直接 采用比例放大器，实现固定增益放大，视实际情况确定。采用乘法器具体实 施变增益放大时，如图7所示，可将经交叉比例放大调节器(KC)30调整 的转速信号Ω并同滤波通道输出一起，作为乘法器31的两个输入，由乘法 器实现交叉控制量跟随转速的变增益放大调节。
本发明中，由于磁悬浮飞轮轴向的悬浮控制单独采用传统的PID控制就 可以很容易地实现，同时对磁悬浮飞轮高速稳定悬浮并不造成严重影响，因 此在本发明的图例中均未对磁悬浮飞轮轴向控制系统进行特别标示，但不应 理解为其不是本发明的组成部分。
本发明的磁悬浮控制器5可以采用运放电路等模拟实现，亦可以采用 DSP、CPLD、FPGA等通过软件编程数字实现。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的
现有技术。