高精度反作用飛輪的驅動與控制
王其君1,2，黎海文1，吳一輝1，黃敦新1,2
(1中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2中國科學院研究生院，北京100049)
摘要：分析了飛輪運行的兩種模式，表明力矩模式具有控制方便、精度高的優點：在此基礎上提出了飛輪驅動和控制方式和系統的具體實現，實驗表明，這種驅動和控制的方式，具有精度高、控制方便和效率高等優點。
關鍵詞：反作用飛輪；驅動電路；控制
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)01—0050—03
O引 言
反作用飛輪作為三軸穩定航天器姿態控制的執行機構，相比于其它執行機構，它具有控制精度高、壽命長等特點。它作為控制系統的一個執行環節，有兩種基本的工作模式[1]。一種是要求飛輪的轉速與其輸入控制信號成比例關系，以轉速作為反饋量構成閉路控制環節，稱為速度工作模式。另一種是要求飛輪的反作用力矩與其輸入控制信號成比例關系，稱為力矩工作模式。
飛輪速度控制模式的優點是軸承摩擦等各種擾動力矩是內力，其影響可通過閉環控制作用得到抑制；缺點是需要增加高精度的測速裝置，在實際應用的飛輪裝置往往不單獨設置高精度的測速傳感器[1]，而利用驅動飛輪的無刷直流電動機的換相脈沖實現測速。由于電機換相脈沖數受到限制，要實現高精度的轉速測定是很困難的，特別是在低速情況下準確測量轉速更加困難。飛輪力矩控制的優點是控制簡單，控制信號直接對應力矩，實現對各種干擾的抵消和對衛星姿態的控制；缺點是飛輪電機的電磁輸出力矩和軸承摩擦等各種擾動力矩共同作用在衛星上，使輸出力矩與控制信號偏離規定的比例。飛輪的轉動慣量比星體轉動慣量小得多，并且軸承摩擦力矩比較小，因此對飛輪的轉速進行控制必要性不大。如果在力矩模式的基礎上加上軸承摩擦力矩補償[2]，那么力矩模式的性能會更好。因此，本文主要研究高精度力矩模式反作用輪的驅動和控制。
1驅動電路
反作用飛輪是由無刷直流電動機和大慣量的輪子組成，因此研究反作用飛輪的驅動電路其實就是研究無刷直流電動機的驅動電路。現在廣泛使用的飛輪和無刷直流電動機驅動電路主要有PAM模式半橋驅動電路[3]，如圖1所示；PwM模式全橋驅動
電路[4]，如圖2所示。PAM模式半橋驅動電路具有驅動方式簡單、可靠性高等優點，但是，這種驅動方式在電機換相時沒有二極管續流回路，對功率管沖擊較大；每一個時刻只有一相繞組通電，電機效率低。PwM模式驅動電路具有效率高的優點，但是，它是通過調節占空比來調節繞組上的電流。在電流小的時候，占空比較小，電流波動大，取電流作為反饋量時，較大的紋波使系統性能變差，同時這種方式電流檢測麻煩，需要使用電流傳感器，電流傳感器體積大，難以在空間裝置中采用[5]。針對上面兩種驅動電路的各有優缺點，需要找到一種驅動電機效率高、電機力矩波動小、電流采樣方便的驅動電路。綜合考慮采用PAM全橋驅動電路，如圖3所示，電機的轉矩波動是影響電機控制精度的重要環節，轉矩波動分為換相轉矩波動和非換相轉矩波動，其中換相轉矩波動占主要因素。PAM全橋驅動電路換相期間轉矩波動分析如下：
換相時，存在兩種情況，一是三相橋兩個上橋臂之間換流；二是兩個下橋臂之間換流。由于這兩種方式是對稱的，下面用上橋臂之間換流進行分析，假設A相退出，B相開通，Tl關斷,13導通(如圖3所示)。由于換相時間很短，近似認為A相反電動勢為E，B相反電動勢為E，c相反電動勢為一E，列出此時的電路方程為：
由以上分析可知，只要保證非換相電流ic保持不變的情況下，電磁轉矩不變，電磁轉矩不發生轉矩波動，也即是要保證A相電流的下降速率和B相電流的上升速率一樣。由式(1)一式(4)可以得到：
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