高精度反作用飛輪的驅(qū)動(dòng)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(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033；2中國科學(xué)院研究生院，北京100049)
摘要：分析了飛輪運(yùn)行的兩種模式，表明力矩模式具有控制方便、精度高的優(yōu)點(diǎn)：在此基礎(chǔ)上提出了飛輪驅(qū)動(dòng)和控制方式和系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)表明，這種驅(qū)動(dòng)和控制的方式，具有精度高、控制方便和效率高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：反作用飛輪；驅(qū)動(dòng)電路；控制
中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7018(2008)01—0050—03
O引 言
反作用飛輪作為三軸穩(wěn)定航天器姿態(tài)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相比于其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它具有控制精度高、壽命長等特點(diǎn)。它作為控制系統(tǒng)的一個(gè)執(zhí)行環(huán)節(jié)，有兩種基本的工作模式[1]。一種是要求飛輪的轉(zhuǎn)速與其輸入控制信號(hào)成比例關(guān)系，以轉(zhuǎn)速作為反饋量構(gòu)成閉路控制環(huán)節(jié)，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(hào)成比例關(guān)系，稱為力矩工作模式。
飛輪速度控制模式的優(yōu)點(diǎn)是軸承摩擦等各種擾動(dòng)力矩是內(nèi)力，其影響可通過閉環(huán)控制作用得到抑制；缺點(diǎn)是需要增加高精度的測速裝置，在實(shí)際應(yīng)用的飛輪裝置往往不單獨(dú)設(shè)置高精度的測速傳感器[1]，而利用驅(qū)動(dòng)飛輪的無刷直流電動(dòng)機(jī)的換相脈沖實(shí)現(xiàn)測速。由于電機(jī)換相脈沖數(shù)受到限制，要實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速測定是很困難的，特別是在低速情況下準(zhǔn)確測量轉(zhuǎn)速更加困難。飛輪力矩控制的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，控制信號(hào)直接對(duì)應(yīng)力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種干擾的抵消和對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的控制；缺點(diǎn)是飛輪電機(jī)的電磁輸出力矩和軸承摩擦等各種擾動(dòng)力矩共同作用在衛(wèi)星上，使輸出力矩與控制信號(hào)偏離規(guī)定的比例。飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比星體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小得多，并且軸承摩擦力矩比較小，因此對(duì)飛輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制必要性不大。如果在力矩模式的基礎(chǔ)上加上軸承摩擦力矩補(bǔ)償[2]，那么力矩模式的性能會(huì)更好。因此，本文主要研究高精度力矩模式反作用輪的驅(qū)動(dòng)和控制。
1驅(qū)動(dòng)電路
反作用飛輪是由無刷直流電動(dòng)機(jī)和大慣量的輪子組成，因此研究反作用飛輪的驅(qū)動(dòng)電路其實(shí)就是研究無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路�，F(xiàn)在廣泛使用的飛輪和無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要有PAM模式半橋驅(qū)動(dòng)電路[3]，如圖1所示；PwM模式全橋驅(qū)動(dòng)
電路[4]，如圖2所示。PAM模式半橋驅(qū)動(dòng)電路具有驅(qū)動(dòng)方式簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是，這種驅(qū)動(dòng)方式在電機(jī)換相時(shí)沒有二極管續(xù)流回路，對(duì)功率管沖擊較大；每一個(gè)時(shí)刻只有一相繞組通電，電機(jī)效率低。PwM模式驅(qū)動(dòng)電路具有效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是，它是通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)繞組上的電流。在電流小的時(shí)候，占空比較小，電流波動(dòng)大，取電流作為反饋量時(shí)，較大的紋波使系統(tǒng)性能變差，同時(shí)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(duì)上面兩種驅(qū)動(dòng)電路的各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要找到一種驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率高、電機(jī)力矩波動(dòng)小、電流采樣方便的驅(qū)動(dòng)電路。綜合考慮采用PAM全橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是影響電機(jī)控制精度的重要環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分為換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和非換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，其中換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)占主要因素。PAM全橋驅(qū)動(dòng)電路換相期間轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析如下：
換相時(shí)，存在兩種情況，一是三相橋兩個(gè)上橋臂之間換流；二是兩個(gè)下橋臂之間換流。由于這兩種方式是對(duì)稱的，下面用上橋臂之間換流進(jìn)行分析，假設(shè)A相退出，B相開通，Tl關(guān)斷,13導(dǎo)通(如圖3所示)。由于換相時(shí)間很短，近似認(rèn)為A相反電動(dòng)勢(shì)為E，B相反電動(dòng)勢(shì)為E，c相反電動(dòng)勢(shì)為一E，列出此時(shí)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(zhuǎn)矩不變，電磁轉(zhuǎn)矩不發(fā)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，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：
若是A相電流和B相電流的變化率大小相等，即要求  可以解出此時(shí)VL=4E [7]，因此，PAM全橋驅(qū)動(dòng)電路可以減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高飛輪控制精度。 2飛輪制動(dòng)控制
飛輪作為控制衛(wèi)星姿態(tài)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是通過加速和制動(dòng)控制來產(chǎn)生作用在衛(wèi)星上的反作用力矩，當(dāng)飛輪的轉(zhuǎn)速到達(dá)極限轉(zhuǎn)速時(shí)，飛輪就必須進(jìn)行制動(dòng)控制。飛輪的制動(dòng)方法主要有能耗和反接兩種方法。飛輪轉(zhuǎn)速高時(shí)，進(jìn)行能耗制動(dòng)控制，此時(shí)T7關(guān)斷(如圖3所示)、T8打開，Tl到T6的所有功率管關(guān)斷，電樞繞組電壓通過反相二極管整流(如圖4所示)，然后T8和R。構(gòu)成通路，電流方向與升速時(shí)相反，形成制動(dòng)力矩。隨著轉(zhuǎn)速的降低，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)下降，T8管的管壓降降低，T8從放大區(qū)工作到飽和區(qū)以維持恒定的放電電流(制動(dòng)力矩)。轉(zhuǎn)速再降低，能耗制動(dòng)方式已經(jīng)不能維持輸入指令所要求的反作用力矩，此時(shí)需要進(jìn)行反接制動(dòng)。反接制動(dòng)時(shí)，T7工作，T8截止，電機(jī)換相方向相反，通過外加電源和電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)共同作用來維持電機(jī)繞組電流(反作用力矩)恒定。這種制動(dòng)方式不存在從能耗方式切換到反接制動(dòng)時(shí)瞬間不可控的內(nèi)環(huán)流[3]，切換時(shí)力矩平穩(wěn)。
3控制系統(tǒng)干擾抑制
在一個(gè)高精度的控制系統(tǒng)中干擾必須小，這樣執(zhí)行環(huán)節(jié)才能達(dá)到控制指令要求的精度執(zhí)行。在飛輪驅(qū)動(dòng)與控制的電路當(dāng)中需要處理好以下環(huán)節(jié)：功率環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié)的接地；T7、D7、L1和C1組成的Buck電路和電路板制作中干擾抑制等問題。
在飛輪驅(qū)動(dòng)與控制電路中存在功率和控制兩個(gè)部分，他們的接地問題是影響精度的重要方面。功率環(huán)節(jié)通過電流大，加上電機(jī)是感性負(fù)載，這個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)地的影響很大，這個(gè)環(huán)節(jié)引起地電平的較大波動(dòng)，從而引起控制電壓的波動(dòng)。一般的接地方法是把功率和控制分區(qū)，最后在電源處一點(diǎn)接地，如圖5所示。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用這種方法，功率環(huán)節(jié)對(duì)控制回路也有較大的影響，如圖6所示。為了減少功率級(jí)對(duì)控制信號(hào)的影響，需要把功率和控制信號(hào)的地用光電隔離方式進(jìn)行隔離，隔離以后控制信號(hào)干擾減小明顯，如圖7所示。
T7、D7、L1和C1組成的Buck電路也是影響控制精度的重要環(huán)節(jié)。因?yàn)轱w輪是通過+28 V供給的電壓Buck電路降壓后的電壓控制電機(jī)中電流的大小。這里的Buck電路不但影響控制精度，同時(shí)也是讓驅(qū)動(dòng)控制電路通過EMc測試的主要環(huán)節(jié)。在驅(qū)動(dòng)電路的Buck環(huán)節(jié)加入電容C2(如圖3所示)，這樣可以抑制T7管開關(guān)時(shí)電源到T7管的雜散電感驅(qū)的影響；R1．C2和D8組成緩沖電路，對(duì)T7開關(guān)時(shí)電壓尖峰起到抑制作用，這樣可以保護(hù)T7管在安全區(qū)可靠工作，同時(shí)也能減小Buck電路電壓輸出尖峰；R2和G3組成緩沖電路，可以對(duì)續(xù)流二極管D7關(guān)斷瞬間電壓尖峰進(jìn)行抑制。
電路板是飛輪驅(qū)動(dòng)和控制的實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，也是影響控制精度的重要環(huán)節(jié)。電路板的制作中要注意以下問題：
(1)整個(gè)電路板要合理分區(qū)，功率、模擬和數(shù)字電路各成為一個(gè)模塊，功率地和數(shù)字地、模擬地****隔離分開，數(shù)字地和模擬地在電源處一點(diǎn)接地。如果有可能，****使用地平面。
(2)在每一個(gè)芯片供電電源最近處加O.01μF旁路電容或去耦電容。
(3)高速信號(hào)線和重要的信號(hào)線要遠(yuǎn)離其它信號(hào)線，這樣可以減少信號(hào)的相互串?dāng)_。
(4)盡量減少信號(hào)線和電源線的環(huán)路面積，環(huán)路面積越大，信號(hào)線和電源線受到的干擾越大。
4控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
控制系統(tǒng)原理如圖8所示，轉(zhuǎn)矩指令和采樣電阻上的反饋電流信號(hào)比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，通過PI校正來使電機(jī)繞組上的電流和指令信號(hào)指定的電流相對(duì)應(yīng)。采樣電阻上的信號(hào)存在高頻的毛刺，這是因?yàn)殡姍C(jī)是感性負(fù)載，在換相的時(shí)候電流存在小的波動(dòng)，但這不影響電機(jī)輸出的平均轉(zhuǎn)矩。電阻采樣信號(hào)經(jīng)過濾除高頻毛刺以后的信號(hào)如圖9所示，從圖中可以看出，電機(jī)電流穩(wěn)定，從而電機(jī)輸出力矩穩(wěn)定。
5結(jié)語
反作用飛輪是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行元件，要提高衛(wèi)星姿態(tài)控制的精度，提高飛輪的驅(qū)動(dòng)和控制的精度是重要的組成部分。本文論述了高精度飛輪驅(qū)動(dòng)和控制的基本方法和具體實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)表明這種驅(qū)動(dòng)和控制方法具有較高的精度。
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