大慣量飛輪四象限力矩控制關鍵技術研究

    周兆勇¹，孔翔¹，漆亞梅¹，李鐵才²，李長中¹

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

摘要：針對大慣量反作用飛輪系統中的關鍵技術進行了研究，提出了一套基于數字IP內核集成的硬件實現方案，可以解決飛輪控制中普遍存在的一些問題。設計r一種可以在O～100％占空比范嗣內運行的單極性PwM斬波控制技術，包括功率主回路拓撲結構及其相應的柵極驅動方法，并開發了可以采樣三相繞組電流的磁感應式電流傳感器；分析了泵生電雎的產生機理，并以此為基礎設計了自動抑制電路；給出了實現飛輪力矩伺服控制算法的系統級AsIc結構。實驗結果表明，該飛輪系統在整個四象限區域內均具有良好的動態和靜態力矩控制性能。

    關鍵詞：飛輪；四象限力矩控制；單極性脈寬調制；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

    在航天飛行器姿態控制系統中，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星或其它航天器載體的慣性軸上，通過對飛輪轉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，從而在載體上產生反作用力矩，達到姿態控制的目的[1]。由于飛輪轉動慣量很大，在加速過程中會產生大量的動能，因此當系統切換到制動狀態時，如何精確、平穩地控制其輸出力矩并保證整個系統的可靠運行是一個比較關鍵的問題。

    現代反作用飛輪系統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構，電機轉子和飛輪為一體。飛輪力矩伺服系統是以無刷直流電動機為控制對象的，其實質上是一個電流閉環控制系統，因此電流反饋采樣的好壞會直接影響到系統的整體性能。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構分不開的，不同的逆變器結構，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構成為設計飛輪力矩伺服系統所面臨的首要任務。

    本文針對上述幾項關鍵技術提出了一種基于IP(知識產權)內核數字集成技術的硬件設計方案，解決了傳統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功率驅動回路分析與設計  

    方波無刷直流電動機的驅動控制技術包括多種類型，目前國內外應用較多的有PAM調制、PWM調制或PAM／PwM混合調制三種基本方案。PAM調制是指僅通過調節直流母線電壓來達到控制電機繞組電流的目的，實質上是一種BucK電路；PAM／PwM混合調制技術則是對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調制同時又進行PwM調制，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技術一般需要使用三相全橋結構進行換相驅動，其優點是電流紋波小，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雜，且容易引入非線性因素，降低了控制系統的穩定裕度，要想獲得接近于零動量的穩定運行狀態是比較困難的，尤其是當電機轉速反向過零瞬間會產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環流的影響[3]，同樣會引起力矩波動，使得控制性能變壞。PwM是一種線性調制技術，電路結構相對簡單，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制模式，則電流還會出現斷續現象，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構，而不是工業上應用比較普遍的H橋或全橋結構，以免發生短路現象。但這種半橋結構的功率回路只能通過單向繞組電流，如果要獲得四象限轉速力矩杵陛，必須在換相邏輯上設計專用電路。

    因此，為了解決以上存在的各種問題，現提出一種新的三相電機驅動控制方案，如圖l所示。該方

案是一個單極性的線性PwM系統，不會引入非線性因素，同時直接從繞組中采樣電流，避免了內環流的干擾，還可以實現100％電壓占空比運行。圖1僅畫出了其中某一相的電路結