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| 高速無刷直流電機的快速鎖相控制方法（zxj） |
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摘要：作為航天器姿態(tài)控制的關鍵執(zhí)行機構(gòu)，控制力矩陀螺(cMG)轉(zhuǎn)了的穩(wěn)速精度是決定其輸出力矩精度的重要因素之一，高速電機通常采用鎖相環(huán)技術(shù)實現(xiàn)高精轉(zhuǎn)速，但電機驅(qū)動電流的飽和非線性大幅度延長了鎖相跟蹤收斂時“口J和擾動恢復時間，嚴重影響穩(wěn)速精度。本文建立r包含驅(qū)動飽和特性的高速無刷直流電機鎖相控制系統(tǒng)模型，采用相平面法分析穩(wěn)定性和跟蹤時問，提出基于串聯(lián)PD校正的快速鎖相控制方法，釗對潑方法進行了仿真分析，鎖相跟蹤時間減少了90％，而且不會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。仿真和實驗結(jié)果驗證了該力法的正確性和有效件。
關鍵詞：無刷直流電機；鎖相環(huán)控制；非線性0 引 言控制力矩陀螺(cMG)是空間站等大型航天器實現(xiàn)姿態(tài)控制的關鍵執(zhí)行機構(gòu)，由于其具有大力矩、長壽命、高精度、低功耗的優(yōu)點，在航天控制應用領域引起_廣廣泛的關注，自上個世紀60年代以來已在國內(nèi)外一系列大型航天器上得到廣泛的應用。
高速驅(qū)動電機是cMG的重要組成部分，用r驅(qū)動轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在一個額定轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定精度贏接影響cMG的輸出力矩精度。
鎖相環(huán)是目前最常用的相位同步方法，廣泛用于微波通信和機械控制領域”0。其利用獲得的相位信息與參考輸入進行比較．進而控制系統(tǒng)輸出，達到相位跟蹤與鎖定。為了實現(xiàn)CMG轉(zhuǎn)子的高精度轉(zhuǎn)速控制，鎖相環(huán)控制是****選擇。與其它控制方式相比，電機鎖相環(huán)具有很強的相位分辨能力，很高的轉(zhuǎn)速控制精度，滿足高精度力矩輸出的要求；另外高速電機負載力矩小，這個特點剛好彌補了鎖相環(huán)抗擾性差的不足。 由于cMG的高速電機繞組電感較小，****通過電流有上限；在高速工作時反電勢較高，對三相全橋的驅(qū)動結(jié)構(gòu)來說此時反向通電繞組會產(chǎn)生很大電流，極易損壞定子，這樣就無法輸出負力矩，因此通過鎖相環(huán)控制計算出的指令力矩在實際控制輸出中并不能達到，這相當于在控制環(huán)路中引入一個類似飽和特性的非線性環(huán)節(jié)。一般電機鎖相環(huán)控制必須經(jīng)歷相當長的時間才能達到所需的穩(wěn)速精度，而日收斂時間隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量增大而增加，引入非線性結(jié)構(gòu)之后輸出力矩存在飽和，這種情況將更嚴重。快速鎖相跟蹤往往與穩(wěn)定度是不可兼顧的，實際設計中需權(quán)衡選擇。
對無刷直流電機非線性特性的分析，文獻[3]
使用了描述函數(shù)法，將正弦信號作用下的輸出用一次諧波來近似，由此導山非線性環(huán)節(jié)的近似等效頻率特性，。邑不受系統(tǒng)階次的影響，一般用來分析無外作用的情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自振蕩問題，但只能研究系統(tǒng)的頻率響應，不能解出時域特性。文獻[4]圍繞反饋控制這一目的，使用逆系統(tǒng)法并應用數(shù)學工具直接研究非線性控制問題，但需求解偽線性系統(tǒng)，這將增加很大的計算量。相平面法通過圖解將一階和二階系統(tǒng)的運動過程轉(zhuǎn)化為位置和速度平面上的軌跡，從而比較直觀準確地反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性、平衡狀態(tài)及初始條件對系統(tǒng)運動的影響。相軌跡繪制步驟簡單、計算量小，適合分析常見的一二階系統(tǒng)。本文采用這種方法建立鎖相環(huán)非線性控制的模型，分析了不同初始條件和控制參數(shù)下的動態(tài)響應特性。
1含非線性環(huán)節(jié)鎖相環(huán)模型基本的鎖相環(huán)包括三個環(huán)節(jié)(如圖l所示)，鑒頻鑒相器(PFD)、環(huán)路濾波器(I。F)、壓控振蕩器(VcO)，它是通過將反饋信號與輸入信號進行混頻，得到一個調(diào)幅的高頻信號，當它們的頻率很接近時，頻差信息不會被濾除，即通過相位差來控制整個環(huán)路穩(wěn)定‘“．由于鎖相環(huán)可以將頻率誤差控制得非常小，因而町以朋于控制電機轉(zhuǎn)速，可以得到極其精確的轉(zhuǎn)速控制。與一般的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)類似，如圖2所示，電機的鎖相環(huán)控制也包含三個部分，只是壓控振蕩器已被電機本體代替川。
但在控制力矩陀螺中的高速無刷直流電機，為了減小渦流損耗，定子線圈的電阻和電感做的很小，基本E呈現(xiàn)阻性。高速情況下反電勢很高，此時不能通過反轉(zhuǎn)輸出反向力矩；同時通過繞組的電流也有上限，岡此輸出****力矩也存在****值。這樣通過鎖相環(huán)計算出的電流指令并不能通過驅(qū)動電路得到相應的輸出，而是存在一個非線性的環(huán)節(jié)。
包禽電流限制的鎖相環(huán)模型如同3所示。輸入相位日。(s)與反饋相位日。(s)的差值日。(s)經(jīng)過濾波器F(s)得到不含調(diào)制的相差信息，將此信號折算成電流值用于驅(qū)動電機。
由于電機是一個一階慣性系統(tǒng)，其鎖相環(huán)控制至少是二階。取******的情況，濾波函數(shù)只包含比例環(huán)節(jié)F(s)=K，此時輸出有恒定的靜態(tài)相差，但速度穩(wěn)定。假設開始時系統(tǒng)正要入鎖，初始相差口，(0)=0，初始速度差且初始轉(zhuǎn)速在鎖相環(huán)的捕獲帶內(nèi)，則描述系統(tǒng)的微分方程為2快速鎖相穩(wěn)定方法然而由于控制力矩陀螺的驅(qū)動電機負載阻力很小，以使穩(wěn)定點落在相平面的Ⅱ區(qū)內(nèi)，但同時也造成系統(tǒng)收斂慢，因此必須在濾波器，(s)中增加微分項以加快收斂。
但微分會對系統(tǒng)穩(wěn)定性，主要是對快捕帶(LockRange)大小產(chǎn)生影響。在電機控制中，可以認為是進入跟蹤狀態(tài)的初始速度差范圍。
圖4顯示正弦鑒相器的鎖相環(huán)人鎖過程中的相圖曲線。當相位誤差接近飽和時，頻差必需足夠小才能收斂到平衡點，否則輸出信號將沿圖中分界線之外的曲線滑動，直至有外力將其牽引至快捕帶內(nèi)．式中第二項包含相差信息，應保證其通過環(huán)路時不被濾除，即滿足條件同時。，。為鑒相器諧振點，頻差大于此值時轉(zhuǎn)速將會失鎖或者進入捕獲過程，在快捕過程巾應避免頻差通過這個頻率點，即還要滿足圖6分別是有無微分情況下的開環(huán)系統(tǒng)l”de圖，實際設計時可以通過調(diào)整k、kd使得截止頻率這樣快捕帶△ω=ωm從圖6中可以看到增加微分項使得相位超前，穩(wěn)定裕度得到提高，一定程度上增寬了快捕帶(L0ck Range)，但實際中由于較大的轉(zhuǎn)動慣最使得快捕帶本身已經(jīng)很窄，相位超前增加的帶寬幅度非常有限。而且過大的微分系數(shù)會增加開環(huán)增益，從而減小捕獲帶(Pull-inRange)，對穩(wěn)定性不利。 |
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