大慣量飛輪四象限力矩控制關(guān)鍵技術(shù)研究

    周兆勇¹，孔翔¹，漆亞梅¹，李鐵才²，李長中¹

(1深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東深圳518057；2哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)

摘要：針對(duì)大慣量反作用飛輪系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一套基于數(shù)字IP內(nèi)核集成的硬件實(shí)現(xiàn)方案，可以解決飛輪控制中普遍存在的一些問題。設(shè)計(jì)r一種可以在O～100％占空比范嗣內(nèi)運(yùn)行的單極性PwM斬波控制技術(shù)，包括功率主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)方法，并開發(fā)了可以采樣三相繞組電流的磁感應(yīng)式電流傳感器；分析了泵生電雎的產(chǎn)生機(jī)理，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了自動(dòng)抑制電路；給出了實(shí)現(xiàn)飛輪力矩伺服控制算法的系統(tǒng)級(jí)AsIc結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該飛輪系統(tǒng)在整個(gè)四象限區(qū)域內(nèi)均具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)力矩控制性能。

    關(guān)鍵詞：飛輪；四象限力矩控制；單極性脈寬調(diào)制；泵生電壓

    中圖分類號(hào)：TM33  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1004—7018(2010)05—0037—05

0引  言

    在航天飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)中，反作用飛輪是其中最核心的元部件之一。反作用飛輪按照一定的方式安裝在衛(wèi)星或其它航天器載體的慣性軸上，通過對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行加速或制動(dòng)控制來改變飛輪角動(dòng)量(即動(dòng)量矩)的大小或者方向，從而在載體上產(chǎn)生反作用力矩，達(dá)到姿態(tài)控制的目的[1]。由于飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，在加速過程中會(huì)產(chǎn)生大量的動(dòng)能，因此當(dāng)系統(tǒng)切換到制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，如何精確、平穩(wěn)地控制其輸出力矩并保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行是一個(gè)比較關(guān)鍵的問題。

    現(xiàn)代反作用飛輪系統(tǒng)主要由五個(gè)部分組成，即殼體部件、飛輪、無刷直流電動(dòng)機(jī)、軸承組件和控制電路，其中電動(dòng)機(jī)的定子采用無槽無鐵心結(jié)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)子和飛輪為一體。飛輪力矩伺服系統(tǒng)是以無刷直流電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象的，其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此電流反饋采樣的好壞會(huì)直接影響到系統(tǒng)的整體性能。另外，無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制策略是和功率逆變回路的具體結(jié)構(gòu)分不開的，不同的逆變器結(jié)構(gòu)，其控制策略也不盡相同，同時(shí)其電流檢測(cè)及泵生電壓抑制措施可能電會(huì)有所差異。因此，如何選擇功率主回路結(jié)構(gòu)成為設(shè)計(jì)飛輪力矩伺服系統(tǒng)所面臨的首要任務(wù)。

    本文針對(duì)上述幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)提出了一種基于IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))內(nèi)核數(shù)字集成技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)方案，解決了傳統(tǒng)飛輪控制中存在的一些問題，如力矩突變等，在加速或減速過程中均能獲得較高的力矩控制性能，并且可以在零動(dòng)量附近運(yùn)行。

1功率驅(qū)動(dòng)回路分析與設(shè)計(jì)  

    方波無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)包括多種類型，目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的有PAM調(diào)制、PWM調(diào)制或PAM／PwM混合調(diào)制三種基本方案。PAM調(diào)制是指僅通過調(diào)節(jié)直流母線電壓來達(dá)到控制電機(jī)繞組電流的目的，實(shí)質(zhì)上是一種BucK電路；PAM／PwM混合調(diào)制技術(shù)則是對(duì)PAM的一種改進(jìn)和補(bǔ)充，當(dāng)電機(jī)處于加速過程時(shí)僅PAM起作用，當(dāng)需要制動(dòng)(或減速)時(shí)既進(jìn)行PAM調(diào)制同時(shí)又進(jìn)行PwM調(diào)制，以提高制動(dòng)過程中的力矩性能[2]。為了進(jìn)行四象限力矩控制，PAM技術(shù)一般需要使用三相全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行換相驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是電流紋波小，可以通過在直流母線上加采樣電阻的方法完成電流檢測(cè)。但該電路方案比較復(fù)雜，且容易引入非線性因素，降低了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，要想獲得接近于零動(dòng)量的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)是比較困難的，尤其是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速反向過零瞬間會(huì)產(chǎn)生比較大的力矩跳變；另外在直流母線上間接檢測(cè)繞組電流還會(huì)受到不可控內(nèi)環(huán)流的影響[3]，同樣會(huì)引起力矩波動(dòng)，使得控制性能變壞。PwM是一種線性調(diào)制技術(shù)，電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)于小電感電機(jī)來說，低速運(yùn)行時(shí)的繞組電流紋波比較大，如果此時(shí)采用的是單極性調(diào)制模式，則電流還會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，因而無法在直流母線上進(jìn)行電流采樣。除此之外，為了保證衛(wèi)星等航天器的長可靠工作，飛輪無刷直流電動(dòng)機(jī)的功率主回路一般使用半橋結(jié)構(gòu)，而不是工業(yè)上應(yīng)用比較普遍的H橋或全橋結(jié)構(gòu)，以免發(fā)生短路現(xiàn)象。但這種半橋結(jié)構(gòu)的功率回路只能通過單向繞組電流，如果要獲得四象限轉(zhuǎn)速力矩杵陛，必須在換相邏輯上設(shè)計(jì)專用電路。

    因此，為了解決以上存在的各種問題，現(xiàn)提出一種新的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方案，如圖l所示。該方

案是一個(gè)單極性的線性PwM系統(tǒng)，不會(huì)引入非線性因素，同時(shí)直接從繞組中采樣電流，避免了內(nèi)環(huán)流的干擾，還可以實(shí)現(xiàn)100％電壓占空比運(yùn)行。圖1僅畫出了其中某一相的電路結(jié)