基于交叉解耦的滑模控制在磁轴承中的应用

刘峰，王德明，欧阳慧珉，张广明，袁宇浩

(南京工业大学 自动化与电气工程学院，南京 211816)

相比于传统的滚动轴承, 磁轴承具有无磨损、无需润滑、刚度和阻尼可调等特性，因此广泛应用于高速旋转系统，如飞轮储能装置、控制力矩陀螺等。

主动磁轴承依靠绕组铁芯产生的磁力使铁磁体与磁极产生气隙以达到悬浮的目的，但由于磁体产生的吸力为非保守力，因此磁轴承系统本身为一个不稳定系统，需要通过控制器使主轴能稳定悬浮。在磁轴承的发展中对控制器及控制策略的研究相当多，滑模变结构控制因对系统参数摄动和外界扰动具有鲁棒性和自适应性，因而被广泛应用于主动磁轴承。文献[1]研究了滑模控制磁轴承系统的非线性和不确定性的解决方案，并且将滑模控制应用于单自由度的磁悬浮系统中；文献[2]讨论了在不同硬件特性下滑模控制方法对磁轴承系统控制的特性，把系统中存在的扰动归因于建模不精确和外部干扰，但没有考虑系统交叉耦合的影响；文献[3]应用滑模观测器对磁轴承的扰动量进行观测并且实现补偿，使用了基于PID控制的交叉解耦方法对系统进行解耦，并使用经过校正环节后的观测值对转子的不平衡扰动进行补偿，但控制与补偿系统的设计较为复杂。

针对磁轴承转子在高速旋转时产生的陀螺效应和由于转子的不平衡导致的扰动，设计了基于交叉反馈控制的滑模变结构控制器，实现了交叉解耦，提高了系统对干扰与陀螺耦合的鲁棒性，通过仿真证明该控制系统能准确地跟踪给定信号并且较好地抑制干扰。……