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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：作為航天器姿態控制的關鍵執行機構，控制力矩陀螺(cMG)轉了的穩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技術實現高精轉速，但電機驅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，嚴重影響穩速精度。本文建立r包含驅動飽和特性的高速無刷直流電機鎖相控制系統模型，采用相平面法分析穩定性和跟蹤時問，提出基于串聯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％，而且不會影響系統穩定性。仿真和實驗結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姿態控制的關鍵執行機構，由于其具有大力矩、長壽命、高精度、低功耗的優點，在航天控制應用領域引起_廣廣泛的關注，自上個世紀60年代以來已在國內外一系列大型航天器上得到廣泛的應用。
高速驅動電機是cMG的重要組成部分，用r驅動轉子穩定在一個額定轉速，其轉速穩定精度贏接影響cMG的輸出力矩精度。
鎖相環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．進而控制系統輸出，達到相位跟蹤與鎖定。為了實現CMG轉子的高精度轉速控制，鎖相環控制是****選擇。與其它控制方式相比，電機鎖相環具有很強的相位分辨能力，很高的轉速控制精度，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，對三相全橋的驅動結構來說此時反向通電繞組會產生很大電流，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，這相當于在控制環路中引入一個類似飽和特性的非線性環節。一般電機鎖相環控制必須經歷相當長的時間才能達到所需的穩速精度，而日收斂時間隨著轉子轉動慣量增大而增加，引入非線性結構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定度是不可兼顧的，實際設計中需權衡選擇。
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，由此導山非線性環節的近似等效頻率特性，。邑不受系統階次的影響，一般用來分析無外作用的情況下系統的穩定性和自振蕩問題，但只能研究系統的頻率響應，不能解出時域特性。文獻[4]圍繞反饋控制這一目的，使用逆系統法并應用數學工具直接研究非線性控制問題，但需求解偽線性系統，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的運動過程轉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的穩定性、平衡狀態及初始條件對系統運動的影響。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。本文采用這種方法建立鎖相環非線性控制的模型，分析了不同初始條件和控制參數下的動態響應特性。
1含非線性環節鎖相環模型基本的鎖相環包括三個環節(如圖l所示)，鑒頻鑒相器(PFD)、環路濾波器(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路穩定‘“．由于鎖相環可以將頻率誤差控制得非常小，因而町以朋于控制電機轉速，可以得到極其精確的轉速控制。與一般的鎖相環結構類似，如圖2所示，電機的鎖相環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呈現阻性。高速情況下反電勢很高，此時不能通過反轉輸出反向力矩；同時通過繞組的電流也有上限，岡此輸出****力矩也存在****值。這樣通過鎖相環計算出的電流指令并不能通過驅動電路得到相應的輸出，而是存在一個非線性的環節。
包禽電流限制的鎖相環模型如同3所示。輸入相位日。(s)與反饋相位日。(s)的差值日。(s)經過濾波器F(s)得到不含調制的相差信息，將此信號折算成電流值用于驅動電機。
由于電機是一個一階慣性系統，其鎖相環控制至少是二階。取******的情況，濾波函數只包含比例環節F(s)=K，此時輸出有恒定的靜態相差，但速度穩定。假設開始時系統正要入鎖，初始相差口，(0)=0，初始速度差且初始轉速在鎖相環的捕獲帶內，則描述系統的微分方程為2快速鎖相穩定方法然而由于控制力矩陀螺的驅動電機負載阻力很小，以使穩定點落在相平面的Ⅱ區內，但同時也造成系統收斂慢，因此必須在濾波器，(s)中增加微分項以加快收斂。
但微分會對系統穩定性，主要是對快捕帶(LockRange)大小產生影響。在電機控制中，可以認為是進入跟蹤狀態的初始速度差范圍。
圖4顯示正弦鑒相器的鎖相環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．式中第二項包含相差信息，應保證其通過環路時不被濾除，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系統l”de圖，實際設計時可以通過調整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動慣最使得快捕帶本身已經很窄，相位超前增加的帶寬幅度非常有限。而且過大的微分系數會增加開環增益，從而減小捕獲帶(Pull-inRange)，對穩定性不利。 |
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