随着《中国制造2025》战略的实施,作为其十大突破领域之一的新能源技术取得飞速发展,与此相关的储能技术也日新月异。主动磁悬浮轴承（AMB）支承的储能飞轮系统,以下简称磁悬浮储能飞轮,以其比功率高、比能量大、充放电时间短、温度范围大、运行寿命长、无环境污染等众多优点,在近年来得到学术界和工业界的广泛关注。在系统运行时,磁悬浮储能飞轮转子的反馈控制是至关重要的,系统性能在很大程度上取决于磁悬浮储能飞轮转子控制系统的好坏。由于磁悬浮储能飞轮转速高（常常是超临界运行）、转子构造复杂（采用复合材料）、发电机与电动机一体化等涉及的因素较多,系统运行呈现出非线性强烈、机电耦合严重等特点。仅仅依靠计算机仿真验证其控制设计是远远不够的,而专门利于反馈控制设计研究的磁悬浮储能飞轮转子实验平台并不多。因为构建一个实际的磁悬浮储能飞轮转子实验平台不仅制造成本高,具有诸多技术挑战,并且不适用于调试,因为一旦损坏,代价不仅高昂而且非常危险。随着新能源技术的迅猛发展,具有独特优势的磁悬浮储能飞轮的需求变得日益紧迫。因此如何利用现有的转子-磁悬浮轴承系统构建一个质优价廉、安全有效的磁悬浮储能飞轮转子模拟实验平台用于其反馈控制算法的设计和调试显得非常重要和迫切。另外,现有的磁悬浮储能飞轮转子的控制设计方法中,如PID算法虽然易于实现但不能处理复杂的转子动力学特性;现代控制设计方法通常需要精确描述对象的数学模型和系统不确定性。现有的控制算法不能很好的保证飞轮转子稳定运行的同时并减小振动。除此之外,为提高磁悬浮储能飞轮的比能量,需要充分利用磁性材料的潜力,如何设计一个高性能非线性控制器使得支承飞轮转子的磁悬浮轴承运行在磁饱和区间附近的非线性区域,成为磁悬浮储能飞轮转子控制设计中的关键前瞻性研究问题。为此,本文展开对磁悬浮储能飞轮转子控制设计中关键问题的研究,具体研究内容如以下几方面:基于支承飞轮转子的磁悬浮轴承电磁力的线性模型,建立了磁悬浮储能飞轮刚性转子动力学模型和磁悬浮储能飞轮柔性转子动力学模型。基于磁悬浮储能飞轮柔性转子动力学模型提出了采用常规转子-磁悬浮轴承系统构建一个磁悬浮储能飞轮转子模拟实验平台的新设想。建立了磁悬浮储能飞轮转子的模拟模型,提出了其模拟方法、等效条件和等效判别依据。具体来说,位于转子两个末端的径向磁悬浮轴承用于支承作用,另外位于转子1/2处和1/4处的两个径向磁悬浮轴承用于模拟飞轮电机产生的负刚度和飞轮圆盘产生的陀螺效应在转子动力学上的影响。仿真和实验结果证明了本磁悬浮储能飞轮转子模拟实验平台设计方法的有效性。提出基于特征模型的全系数自适应磁悬浮储能飞轮转子控制算法,并应用于上述的磁悬浮储能飞轮转子模拟实验平台上,尽管此控制方法的设计和实现比较简单,仿真和实验结果验证了闭环系统很好的性能。与μ-综合控制方法所能达到的控制效果对比,这个控制方法更大程度上抑制了磁悬浮储能飞轮转子的振动。上述研究内容都是基于储能飞轮转子磁悬浮轴承电磁力的线性模型进行的控制设计研究。为提高磁悬浮储能飞轮的比能量,要充分利用磁性材料的磁饱和特性。针对磁饱和带来的非线性控制问题是磁悬浮储能飞轮转子控制设计的一大难题,本文针对此前瞻性问题进行了研究。为简化非线性控制设计方法的验证,暂时先不考虑磁悬浮储能飞轮复杂的转子动力学特性,基于一个单自由度磁悬浮轴承系统实验平台,验证储能飞轮转子磁悬浮轴承非线性控制设计方法的有效性。建立了磁悬浮轴承电磁力的非线性模型和单自由度磁悬浮轴承系统的非线性模型,基于此模型进行了非线性控制设计。设计的这个控制器能够让磁悬浮轴承在其磁感应强度的非线性区域内安全运行,从而提高系统的性能。具体方法是,首先建立磁悬浮轴承非线性电磁力响应曲线模型,将这个非线性曲线放置在由两条折线组成的扇形区域里。根据这两条折线中的各个线段,通过求解线性矩阵不等式（LMI）优化问题确定系统所能承受的最大外界₂L和L_∞扰动。针对给定的在最大可承受扰动范围之内的一个扰动,再通过求解线性矩阵不等式（LMI）优化问题设计具有最强抑制干扰能力的控制器。最后,通过仿真和实验验证控制设计方法的有效性。本文针对磁悬浮储能飞轮转子控制设计中的这些关键问题进行研究,为磁悬浮储能飞轮大规模的应用提供了理论依据。