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：針對大慣量反作用飛輪系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，提出了一套基于數(shù)字IP內(nèi)核集成的硬件實現(xiàn)方案，可以解決飛輪控制中普遍存在的一些問題。設(shè)計r一種可以在O～100％占空比范嗣內(nèi)運行的單極性PwM斬波控制技術(shù)，包括功率主回路拓撲結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的柵極驅(qū)動方法，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)生機理，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了自動抑制電路；給出了實現(xiàn)飛輪力矩伺服控制算法的系統(tǒng)級AsIc結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，該飛輪系統(tǒng)在整個四象限區(qū)域內(nèi)均具有良好的動態(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：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：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，通過對飛輪轉(zhuǎn)子進行加速或制動控制來改變飛輪角動量(即動量矩)的大小或者方向，從而在載體上產(chǎn)生反作用力矩，達到姿態(tài)控制的目的[1]。由于飛輪轉(zhuǎn)動慣量很大，在加速過程中會產(chǎn)生大量的動能，因此當系統(tǒng)切換到制動狀態(tài)時，如何精確、平穩(wěn)地控制其輸出力矩并保證整個系統(tǒng)的可靠運行是一個比較關(guān)鍵的問題。
現(xiàn)代反作用飛輪系統(tǒng)主要由五個部分組成，即殼體部件、飛輪、無刷直流電動機、軸承組件和控制電路，其中電動機的定子采用無槽無鐵心結(jié)構(gòu)，電機轉(zhuǎn)子和飛輪為一體。飛輪力矩伺服系統(tǒng)是以無刷直流電動機為控制對象的，其實質(zhì)上是一個電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此電流反饋采樣的好壞會直接影響到系統(tǒng)的整體性能。另外，無刷直流電動機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，同時其電流檢測及泵生電壓抑制措施可能電會有所差異。因此，如何選擇功率主回路結(jié)構(gòu)成為設(shè)計飛輪力矩伺服系統(tǒng)所面臨的首要任務(wù)。
本文針對上述幾項關(guān)鍵技術(shù)提出了一種基于IP(知識產(chǎn)權(quán))內(nèi)核數(shù)字集成技術(shù)的硬件設(shè)計方案，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，并且可以在零動量附近運行。
1功率驅(qū)動回路分析與設(shè)計
方波無刷直流電動機的驅(qū)動控制技術(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)直流母線電壓來達到控制電機繞組電流的目的，實質(zhì)上是一種BucK電路；PAM／PwM混合調(diào)制技術(shù)則是對PAM的一種改進和補充，當電機處于加速過程時僅PAM起作用，當需要制動(或減速)時既進行PAM調(diào)制同時又進行PwM調(diào)制，以提高制動過程中的力矩性能[2]。為了進行四象限力矩控制，PAM技術(shù)一般需要使用三相全橋結(jié)構(gòu)進行換相驅(qū)動，其優(yōu)點是電流紋波小，可以通過在直流母線上加采樣電阻的方法完成電流檢測。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量的穩(wěn)定運行狀態(tài)是比較困難的，尤其是當電機轉(zhuǎn)速反向過零瞬間會產(chǎn)生比較大的力矩跳變；另外在直流母線上間接檢測繞組電流還會受到不可控內(nèi)環(huán)流的影響[3]，同樣會引起力矩波動，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)相對簡單，但對于小電感電機來說，低速運行時的繞組電流紋波比較大，如果此時采用的是單極性調(diào)制模式，則電流還會出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，因而無法在直流母線上進行電流采樣。除此之外，為了保證衛(wèi)星等航天器的長可靠工作，飛輪無刷直流電動機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驅(qū)動控制方案，如圖l所示。該方
案是一個單極性的線性PwM系統(tǒng)，不會引入非線性因素，同時直接從繞組中采樣電流，避免了內(nèi)環(huán)流的干擾，還可以實現(xiàn)100％電壓占空比運行。圖1僅畫出了其中某一相的電路結(jié) |
