[发明专利]一种磁悬浮反作用飞轮电机高精度速率模式控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮反作用飞轮电机高精度速率模式控制系统，属航天控制领域，用于实现新一代高精度、高稳定度卫星的姿态控制。

背景技术

新一代卫星对地观测技术正日臻完善，是一个多层、立体、多角度、全方位和全天候，高、中、低轨道相结合，大、中、小卫星协同，粗、细、精分辨率互补的全球对地观测系统正在形成之中。新一代对地观测卫星的高精度、高稳定度姿态控制技术是需要重点突破的关键技术之一。

反作用飞轮作为卫星姿态控制的执行部件应用极其广泛，其运动时平均角动量近似为零，因此也称为零动量轮，其常用的控制方式为力矩控制和速率控制。由于空间环境的干扰力矩的量级很小，例如地球同步轨道卫星太阳辐射压形成的干扰力矩为10^-4N·m，这与一般滚珠轴承过零力矩死区的干扰力矩同数量级甚至更小，这就要求反作用飞轮必须具有良好的过零特性和正、反转性能。此外，机械轴承支承的反作用飞轮在零转速附近具有严重的非线性，会对卫星系统的控制特性产生不良影响，由于机械轴承支承的反作用飞轮零速附近的速率控制特性差。解决这一问题的根本方法是采用磁轴承支承，使干扰力矩的量级大幅度下降。磁悬浮反作用飞轮作为新一代卫星平台的高精度、高稳定度姿态控制系统的执行机构，具有角动量输出精度高、控制线性度好，并具有很强的抗干扰性和很快响应速度等优点，将成为我国新一代高精度、高稳定度、高分辨率对地观测卫星平台的首选执行机构。目前国外的磁悬浮反作用飞轮控制大多采用力矩模式，但该模式以飞轮电机的电枢电流作为反馈量，反馈回路中不包含飞轮动力学部分，对飞轮控制特性无改善，没有充分发挥出磁悬浮轴承支承的优势。与机械轴承支承的反作用飞轮相比磁悬浮飞轮转子和其保护轴承之间存在一定的间隙，悬浮的转子会产生较大的径向和轴向跳动，无法加装旋转变压器或感应同步器等高分辨率速率反馈装置，此外，磁悬浮反作用飞轮电机的转速变化范围较大，超出了轴角编码器的电气允许转速，无法在整个调速范围内都使用轴角编码器的速度反馈。因此，当前采用速率模式控制的磁悬浮反作用飞轮大多利用转子位置传感器的信号作为速度反馈，使得低速时的速率控制精度较低。为了改善低速时速率的控制精度，有文章提出采用增加转子位置传感器数量，以提高速率反馈的分辨率，该方法对改善低速控制精度有一定作用，但速率控制精度仍然不高，对满足新一代高精度对地观测卫星所要求的姿态控制精度还有一定的差距。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服了现有磁悬浮反作用飞轮低速控制精度低的不足，提供一种磁悬浮反作用飞轮电机高精度速率模式控制系统，大大提高了磁悬浮反作用飞轮的控制分辨率和精度。

本发明的技术解决方案：一种磁悬浮反作用飞轮电机高精度速率模式控制系统，其特征在于包括：DSP为核心的控制器、三相桥功率放大器、三相桥驱动电路、增量式轴角编码器、三相永磁无刷直流电机、电流检测环节和霍尔效应转子位置传感器，磁悬浮反作用飞轮的三相永磁无刷直流电机飞轮的转速较低时，DSP为核心的控制器从与三相永磁无刷直流电机相接的增量式轴角编码器(4)获取速度反馈信号；当三相永磁无刷直流电机飞轮转速达到电气允许转速以上时，DSP为核心的控制器从与三相永磁无刷直流电机相接的霍尔效应转子位置传感器获取速度反馈信号，DSP为核心的控制器将速度反馈信号与参考转速信号作差后生成换相逻辑，三相桥驱动电路根据换相逻辑触发相应的三相桥功率放大器的功率器件导通来进行换向和调节三相永磁无刷直流电机的转速，实现速度控制和调节。

所述的DSP为核心的控制器的数字I/O模块和捕获单元模块对霍尔效应转子位置传感器的输出信号进行捕获，经运算和修正后作为转速反馈信号，并与转速参考信号相减，差值作为PID转速控制算法的输入量，PID转速控制算法经DSP运算后的输出量作为电流环PID控制算法的电流参考，该电流参考，电机的电流检测环节的输出信号经DSP为核心的控制器的A/D模块采样得到的电流反馈值相减，差值作为电流环PID控制算法的输入量，经电流环PID控制算法的输出量DSP为核心的控制器的PWM波形发生模块的比较寄存器的值进行比较生成6路PWM波形，6路PWM信号经三相桥驱动电路并根据换相逻辑触发相应的三相桥功率放大器的功率器件导通来进行换向和调节三相永磁无刷直流电机的转速。