[发明专利]一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制系统，用于对磁悬浮飞轮三相永磁无刷直流电机的输出力矩进行精确控制。

背景技术

磁悬浮飞轮是高精度、长寿命三轴姿态稳定卫星理想的姿态控制执行机构，通过电机控制系统调整电机的电流输出期望的控制力矩。现有的磁悬浮飞轮电机控制系统一般使用三相全桥或者三相半桥拓扑结构的功率放大器。说明书附图1所示为现有使用三相全桥拓扑结构功率放大器的磁悬浮飞轮电机控制系统的结构框图（ZL200710119966.7，房建成、王志强、刘刚、樊亚洪，一种磁悬浮反作用飞轮电机速率模式控制系统），三相桥功率放大器使用6个功率管，通过PWM1～PWM6控制6个功率管的开通与关断，实现对电机绕组电流的控制。说明书附图2为现有使用三相半桥拓扑结构功率放大器的磁悬浮飞轮电机控制系统的结构框图（ZL200910236136.1，房建成、周新秀、刘刚、王志强，一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制装置），三相桥功率放大器使用7个功率管，通过PWM1～PWM7控制7个功率管的开通与关断，实现对电机绕组电流的控制。其中：PWM1～PWM3控制三相半桥主电路功率管的开通与关断；PWM4控制Buck电路中功率管的开通与关断；PWM5控制能耗制动功率管的开通与关断；PWM6和PWM7控制转矩脉动抑制功率管的开通与关断。功率管及其驱动电路是影响磁悬浮飞轮电机控制系统可靠性的主要因素，如果能够减少现有的磁悬浮飞轮电机控制系统使用的功率管的数量，则可以进一步提高控制系统的可靠性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有磁悬浮飞轮无刷直流电机控制系统使用功率管较多的不足，将磁悬浮飞轮无刷直流电机控制系统的导通相控制电路与能耗制动电路合并，提出了一种只使用4个功率管的磁悬浮飞轮无刷直流电机控制系统方案，相对现有的磁悬浮飞轮控制系统，具有可靠性高、结构简单的特点。

本发明的技术解决方案：一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制系统，主要包括：滤波电路、buck电路、电流检测环节、三相永磁无刷直流电机、霍尔效应转子位置传感器、三相半桥功率放大电器和以FPGA为核心的控制器。其中：

滤波电路：输出接buck电路，用于消除+28V输入上的高频噪声；

buck电路：输入与滤波电路相接，输出与电流检测环节相接，根据以FPGA为核心的控制器输出的控制信号控制达林顿功率管V4的导通与关断，对滤波电路的输出电压进行调制；

电流检测环节：输入与buck电路相接，输出与三相永磁无刷直流电机相接，用于检测通过三相永磁无刷直流电机的绕组电流；

霍尔效应转子位置传感器：输入与三相永磁无刷直流电机相接，输出与以FPGA为核心的控制器相接，输出为3路磁悬浮飞轮转子位置信号；

三相半桥功率放大器：根据以FPGA为核心的控制器的输出控制达林顿功率管的开通与关断，从而在三相永磁无刷直流电机的绕组中生成期望的控制电流；

以FPGA为核心的控制器：电流检测环节输出的电流反馈信号经过以FPGA为核心的控制器的电流信号模数转换芯片进行采样，电流信号采样值与外部输入的电流参考值相减，差值作为电流环PID算法的输入量，电流环PID算法的输出量输出给以FPGA为核心的控制器的D/A模块，D/A模块的输出经过以FPGA为核心的控制器的控制电压分配环节生成三相半桥功率放大器的控制信号。三相半桥功率放大器输出的电压反馈信号经过以FPGA为核心的控制器的电压检测环节后输入给以FPGA为核心的控制器的电压信号模数转换芯片，电压信号模数转换芯片的采样值与外部输入的电压参考值相减，差值作为电压环PID算法的输入量，电压环PID算法的输出量经以FPGA为核心的控制器的PWM波形发生模块生成buck电路的控制信号PWM_V4。

本发明的原理是：磁悬浮飞轮无刷直流电机控制系统根据外部输入的电流/力矩指令进行三相永磁无刷直流电机加速运行和制动运行控制，使永磁无刷直流电机能够在四个象限工作。原理如下：

（1）当三相永磁无刷直流电机电机工作在一、三象限，即外部输入的电流或力矩方向指令与磁悬浮飞轮的转向一致，加速运行状态时，电流从+28V电源输入，经滤波电路、buck模块的达林顿功率管V4和电感L2、电流检测环节至电机绕组。以FPGA为核心的控制器通过控制三相半桥功率放大器中的三个达林顿功率管（V1～V3）的导通顺序，并保证电机导通相通过的电流与输入的电流或力矩指令一致，从而实现了对电机在一、三象限工作时输出力矩的控制。当电机工作在一、三象限时，导通相的反电势与通过的电流的方向相同。