专利名称：一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统，用于小电枢电感永磁无 刷直流电动机的的低功耗控制，特别适用于卫星、空间站等航天器姿态控制执行机构的驱动 部件的低功耗控制。
技术背景卫星、空间站等航天器上的能源有限，所以需要其执行机构的驱动部件功耗要低，以便 于节省能源。控制力矩陀螺是大型航天器和空间站上重要的姿态控制执行机构，磁悬浮控制 力矩陀螺又以其输出力矩大、功耗低的优点而具有广阔的应用前景。高速转子系统是磁悬浮 控制力矩陀螺的重要部件，磁悬浮控制力矩陀螺的高速转子一般转速都达到20000rpm，因此 高速转子电机的功耗问题是需要解决的一个难题。现有的高速转子系统驱动电机一般采用的是小电枢电感永磁无刷直流电机，电机的驱动 电路一般由稳压直流电源直接加三相逆变桥，采用脉宽调制PWM方式对电机进行控制。由于 电机绕组电感很小，当采用频率很高的PWM进行调制的时候，绕组中的电流也随着PWM的频 率高频的变化，因此引起的涡流损耗很大。加大绕组中的电感，降低供电电压可以减小涡流 损耗，但是这样又降低了电机的功率因数。为了减小高速转子控制系统涡流损耗，减小绕组 中电流变化的波动量是最好办法。提高PWM频率，依靠绕组内的小电感可以使电流变的平滑， 但是，依靠传统的驱动电路，逆变桥中开关管的开关损耗会因此而增大，当PWM频率达到一 定大小的时候，开关管会因为来不及散热而烧坏。 发明内容本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种涡流损耗小、控制带宽高的 用于磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统的低功耗控制系统。本发明的技术解决方案是 一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统，包括稳 压直流电源、小电枢电感永磁无刷直流电动机、数字控制器、滤波电路和A/D转换电路、三 相逆变桥，其特点在于在稳压直流电源和三相逆变桥之间加入软开关桥，通过软开关桥的 谐振作用，使三相逆变桥的开关管实现零电流开关；同时在稳压直流电源与软开关桥之间串 入电流传感器，电流传感器采集的小电枢电感永磁无刷直流电动机的电流信号经过滤波电路 和A/D转换电路后进入数字控制器，作为电流环的反馈值；小电枢电感永磁无刷直流电动机 带有霍尔传感器，霍尔信号经过光电隔离后进入数字控制器，提供电流换相时刻及计算速率的基准；数字控制器接收到电流信号按照控制算法计算出控制电机电流的PWM占空比，接收 到霍尔信号后按照换向逻辑给定PWM的输出逻辑，从而控制三相逆变桥和软开关桥中的开关 管。所述的软开关桥由MOSFET管Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12,电感L0、 Ll、 L2及电容C0、 Cl、 C2组成,其中M0SFET管Q7、 Q8、 Q9组成软开关桥的上桥臂，M0SFET管QIO、 Qll、 Q12 组成软开关桥的下桥臂，L0、 C0、 Q7、 Q10及三相逆变桥的Q1、 Q4组成A相软开关电路；Ll、 Cl、 Q8、 Q11及三相逆变桥的Q3、 Q6组成B相软开关电路；L2、 C2、 Q9、 Q12及三相逆变桥 的Q2、 Q5组成C相软开关电路。所述的数字控制器(6)由浮点型CPU、外扩存储器和CPLD组成，其中CPLD包括数字 1/0、PWM生成模块、A/D接口模块及数字滤波模块;浮点CPU通过数据总线和地址总线与CPLD 和外扩存储器相连，CPLD中通过VHDL编程实现数字I/O、 PWM生成模块、A/D接口模块及数 字滤波模块；A/D接口模块通过CPLD的数据线将A/D转换电路得到的电流采样数据量采到 CPLD的数据缓冲区中，并通过数字滤波模块对采样数据量进行平均滤波，然后将经过滤波后 的数据量存回CPLD的数据缓冲区中等待浮点CUP读取。浮点型CPU通过地址总线访问CPLD， 浮点型CPU通过地址总线访问CPLD，通过数据总线获得CPLD数据缓冲区中的数据，然后经 过控制算法后生成PWM占空比值并将其存到外扩存储器中，浮点CPU在接到CPLD取数信号 时通过数据总线和地址总线送给CPLD,同时与在CPLD中生成的由霍尔信号产生的换相逻辑 结合，在CPLD的PWM生成模块中生成电机的三相逆变桥和软开关桥的驱动信号。本发明与现有技术相比的优点在于-(1) 本发明采用了软开关桥，通过软开关的谐振作用实现逆变桥中开关管的零电流的 转换，降低开关管的开关损耗，提高PWM的频率，减小了永磁无刷直流电动机绕组中电流的 波动量，使得由PWM调制引起的电机的涡流损耗大大减小，节约了航天器的电力资源。(2) 与现有的数字控制系统相比，本发明采用浮点CPU和外扩存储器、数字1/0、 PWM 生成模块及数字滤波模块组成数字控制部分，利用浮点CPU可以提高控制过程中的运算速度 和精度，特别适用于对控制精度要求很高的领域。(3) 与现有的数字控制系统相比，本发明的霍尔信号经过光电隔离后进入数字控制器 的滤波环节，省去了霍尔信号的模拟滤波和整形电路，降低了控制器的功耗。
图l为本发明的原理框图；图2为本发明的数字控制器原理框图；图3为本发明的电机驱动模块原理框图；图4为本发明的软开关谐振原理图；a为第一时间段工作状态图，b为第时间段工作状 态图，c为第三时间段工作状态图，d为第四时间段工作状态图，e为第五时间段工作状态图， f为第六时间段工作状态图，g为第七时间段工作状态图，h为第八时间段工作状态图。图5为本发明的软开关工作状态时序图；图6为本发明的数字控制器软件流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括稳压直流电源1、小电枢电感永磁无刷直流电动机5、数字控 制器6和三相逆变桥4，在稳压直流电源1和三相逆变桥4之间加入软开关桥3，通过软开 关桥3的谐振作用，使三相逆变桥4的开关管实现零电流开关，在稳压直流电源l与软开关 桥3之间串入电流传感器2，采集电机直流母线电流，所采集的电流信号经过滤波电路和A/D 转换电路7后进入数字控制器6，作为电流环的反馈值，小电枢电感永磁无刷直流电动机5 带有霍尔传感器8，霍尔信号经过光电隔离后进入数字控制系统，提供电流换相时机及计算 速率的基准。数字控制器6接收到电流信号按照控制算法计算出控制电机电流的PWM占空比， 接收到霍尔信号后按照换向逻辑给定PWM1-12的输出逻辑，从而控制三相逆变桥4和软开关 桥3中的开关管。软开关桥3由Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12， 6个M0SFET管，3个电感，L0、 Ll、 L2及 3个电容C0、 Cl、 C2组成，其中Q7、 Q8、 Q9组成软开关桥的上桥臂，QIO、 Qll、 Q12组成 软开关桥的下桥臂。如图3、图4和图5所示，本发明中的小电枢电感永磁无刷直流电动机 (5)驱动由软开关桥3和三相逆变桥4实现，串联的LO、 C0， Ll、 Cl， L2、 C2为谐振元件， 通过它们的谐振作用使三相逆变桥(4)中的开关管实现零电流转换。由于全桥各相软开关 独立谐振，互不干扰，因此以一相桥臂为例对其工作原理进行分析。Ql、 Q4为电机逆变桥中 的MOSFET管，Q7、 Q10为软开关桥中的MOSFET管，UC为谐振电容CO两端的电压，UC0为谐 振电容CO两端初始电压，IL为谐振电感上的电流，IO为电机绕组的电流，VSx为开关管， VDx为二级管，每一个Qx都包含一个VSx和一个VDx，现进行以下四点假设。(1) 所有开关管、二极管、电感、电容均为理想元件；(2) 在逆变开关管转换的时间内，桥臂的输出电流，即输出滤波电感上的电流变化很 小，故假设逆变开关管转换周期内滤波电感电流为恒流源IL0;(3) 谐振电感L0上的电流IL、谐振电容C0的电压UC和电机绕组电流10的参考方向；(4) 初始时刻tO时的状态为:电源电压Udc, I0〉0， IL=0, UC=UC0〉0， VS1、 VS7、 VS10 关断，VS4开通，电流I0经VD4续流。工作过程可以分为以下8个状态如图4所示a. 状态1 [t0， t2]此时VS1、 VS4、 VS7关断，VS10开通。电机电流IO由VSIO， LO， CO， VD4组成的谐振 网络提供，此过程由PWM10控制VS10零电流开通，零电流关断。b. 状态2 [t2， t3]此时VS1、 VS4、 VS7、 VS10关断。电机电流IO由VDIO， LO， CO组成的谐振网络提供。c. 状态3 [t3， t4]此时VS4、 VS7、 VS10关断，由PWM1控制VS1开通。电机电流10由VDIO、 LO、 CO网络 与VS1、 Udc网络共同决定，t3时刻VSl零电流开通。d. 状态4 [t4， t5]此时VS4、 VS7、 VS10关断，VS1开通。电机进入正常工作模式，电机电流I0由VS1提供。e. 状态5 [t5， t7]此时VS4、 VS10关断，VS1、 VS7开通。电机电流10由VS1、 Udc网络与VS7、 LO、 CO 组成的网络共同提供，由PWM7控制VS7零电流开通。f. 状态6 [t7， t8]此时VS1、 VS4、 VS10关断，VS7开通。电机电流10由Udc、 VS7、 LO、 CO组成的网络提 供，由PWM1控制VS1零电流关断。g. 状态7 [t8， t10]此时VS1、 VS4、 VS10关断，VS7开通。t8 t9时刻，电机电流10由Udc、 VS7、 LO、 CO 组成的网络与VD4的回路网络共同提供；t9、10时刻电机电流10由Udc、 VD7、 LO、 CO组成 的网络与VD4的回路网络共同提供，由PWM7控制VS7零电流关断。h. 状态8 [t10， ]此时VS1、 VS4、 VS7、 VS10关断、电机电流10由VD4的回路网络提供，电路回到初始状态。如图2所示，所述的数字控制器6由浮点型CPU(TMS320VC33)、外扩存储器和CPLD组 成，其中CPLD包括数字I/O、 PWM生成模块、A/D接口模块及数字滤波模块组成。浮点CPU 通过数据总线和地址总线与CPLD和外扩存储器相连。CPLD中通过VHDL编程实现数字1/0、 PWM生成模块、A/D接口模块及数字滤波模块。PWM生成模块是通过用VHDL实现的时钟计数 器与PWM占空比值比较实现的，当计数值小于PWM占空比值时PWM输出模块为低，当计数值 大于PWM占空比值时PWM输出模块为高；A/D接口模块为在CPLD中开辟的数据的存储空间； 数字滤波模块是用VHDL语言实现的平均滤波。A/D接口模块通过CPLD的数据线将A/D转换电路得到的电流采样数据量采到CPLD的数据缓冲区中，并通过数字滤波模块对采样数据量 进行平均滤波，然后将经过滤波后的数据量存回CPLD的数据缓冲区中等待浮点CUP读取。 浮点型CPU通过地址总线访问CPLD，通过数据总线获得CPLD数据缓冲区中的数据，然后经 过控制算法后生成PWM占空比值并将其存到外扩存储器中，浮点CPU在接到CPLD取数信号 财通过数据总线和地址总线送给CPLD，同时与在CPLD中生成的由霍尔信号产生的换相逻辑 结合，在CPLD的PWM生成模块中生成电机的三相逆变桥和软开关桥的驱动信号。如图3、图4和图5所示，本发明的软开关桥和三相逆变桥，由于全桥各相软开关独立 谐振，互不干扰，因此以一相桥臂为例对其工作原理进行分析。Ql、 Q4为电机逆变桥中的 M0SFET管，Q7、 Q10为软开关桥中的M0SFET管，Uc为谐振电容C0两端的电压，IU为谐振电 容CO两端初始电压，L为谐振电感上的电流，1。为电机绕组的电流，VSx为开关管，VDx为 二级管，每一个Qx都包含一个VSx和一个VDx，现进行以下四点假设。(1) 所有开关管、二极管、电感、电容均为理想元件；(2) 在逆变开关管转换的时间内，桥臂的输出电流，即输出滤波电感上的电流变化很 小，故假设逆变开关管转换周期内滤波电感电流为恒流源L。；(3) 谐振电感LO上的电流L、谐振电容CO的电压Uc和电机绕组电流I。的参考方向；(4) 初始时刻t0时的状态为电源电压Udc， I。〉0， IL=0， UcU VS1、 VS7、 VS10 关断，VS4开通，电流I。经VD4续流。工作过程可以分为以下8个状态如图4所示a. 状态1 [t0， t2]此时VS1、 VS4、 VS7关断，VS10开通。电机电流I。由VS10， LO， CO, VD4组成的谐振 网络提供，此过程由PWM10控制VS10零电流开通，零电流关断。b. 状态2 [t2， t3]此时VS1、 VS4、 VS7、 VS10关断。电机电流I。由VD10， LO， CO组成的谐振网络提供。c. 状态3 [t3， t4]此时VS4、 VS7、 VS10关断，由PWM1控制VS1开通。电机电流1。由VDIO、 LO、 CO网络 与VS1、 IL网络共同决定，t3时刻VSl零电流开通。d. 状态4 [t4， t5]此时VS4、 VS7、 VS10关断，VS1开通。电机进入正常工作模式，电机电流1。由VS1提供。e. 状态5 [t5， t7]此时VS4、 VS10关断，VS1、 VS7开通。电机电流I。由VS1、 IL网络与VS7、 LO、 CO组成的网络共同提供，由PWM7控制VS7零电流开通。f. 状态6 [t7, t8]此时VS1、 VS4、 VS10关断，VS7开通。电机电流I。由Ud。、 VS7、 LO、 CO组成的网络提 供，由PWM1控制VS1零电流关断。g. 状态7 [t8， t10]此时VS1、 VS4、 VS10关断，VS7开通。t8 t9时刻，电机电流I。由IU、 VS7、 LO、 CO组 成的网络与VD4的回路网络共同提供；t9、10时刻电机电流1。由IL、 VD7、 LO、 CO组成的 网络与VD4的回路网络共同提供，由PWM7控制VS7零电流关断。h. 状态8 [t10， ]此时VS1、 VS4、 VS7、 VS10关断。电机电流I。由VD4的回路网络提供，电路回到初始状态。如图6所示为本发明的数字控制器6的实现流程图，系统启动后，首先进行初始化操作， 然后判断是不是有中断，没有中断时进入空循环等待。当有中断时，首先进行中断类型的判 断。共有两种类型的中断，电流环定时中断和速率环定时中断。速率环的计算输出的速率参 考值送到电流环的入口，电流环计算输出PWM占空比最后调整电流的大小。
权利要求
1. 一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统，包括稳压直流电源(1)、小电枢电感永磁无刷直流电动机(5)、数字控制器(6)、滤波电路和A/D转换电路(7)、三相逆变桥(4)，其特征在于在稳压直流电源(1)和三相逆变桥(4)之间加入软开关桥(3)，通过软开关桥(3)的谐振作用，使三相逆变桥(4)的开关管实现零电流开关；同时在稳压直流电源(1)与软开关桥(3)之间串入电流传感器(2)，电流传感器(2)采集的小电枢电感永磁无刷直流电动机(5)的电流信号经过滤波电路和A/D转换电路(7)后进入数字控制器(6)，作为电流环的反馈值；小电枢电感永磁无刷直流电动机(5)带有霍尔传感器(8)，霍尔信号经过光电隔离后进入数字控制器(6)，提供电流换相时刻及计算速率的基准，数字控制器(6)接收到电流信号按照控制算法计算出控制电机电流的PWM占空比，接收到霍尔信号后按照换向逻辑给定PWM的输出逻辑，从而控制三相逆变桥(4)和软开关桥(3)中的开关管。
2、 根据权利要求1所述的一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统，其特征 在于所述的软开关桥(3)由M0SFET管Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12，电感L0、 Ll、 L2 及电容C0、 Cl、 C2组成，其中M0SFET管Q7、 Q8、 Q9组成软开关桥的上桥臂，M0SFET管QIO、 Qll、 Q12组成软开关桥的下桥臂，L0、 C0、 Q7、 Q10及三相逆变桥的Ql、 Q4组成A相软开 关电路；Ll、 Cl、 Q8、 Qll及三相逆变桥的Q3、 Q6组成B相软开关电路；L2、 C2、 Q9、 Q12 及三相逆变桥的Q2、 Q5组成C相软开关电路。
3、 根据权利要求1所述的一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统，其特征 在于所述的数字控制器(6)由浮点型CPU、外扩存储器和CPLD组成，其中CPLD包括数字 1/0、PWM生成模块、A/D接口模块及数字滤波模块;浮点CPU通过数据总线和地址总线与CPLD 和外扩存储器相连，CPLD中通过VHDL编程实现数字1/0、 PWM生成模块、A/D接口模块及数 字滤波模块；A/D接口模块通过CPLD的数据线将A/D转换电路得到的电流采样数据量采到 CPLD的数据缓冲区中，并通过数字滤波模块对采样数据量进行平均滤波，然后将经过滤波后 的数据量存回CPLD的数据缓冲区中等待浮点CUP读取；浮点型CPU通过地址总线访问CPLD, 通过数据总线获得CPLD数据缓冲区中的数据，然后经过控制算法后生成PWM占空比值并将 其存到外扩存储器中，浮点CPU在接到CPLD取数信号时通过数据总线和地址总线送给CPLD， 同时与在CPLD中生成的由霍尔信号产生的换相逻辑结合，在CPLD的PWM生成模块中生成电 机的三相逆变桥和软开关桥的驱动信号。
4、 根据权利要求1所述的一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统，其特征在于所述的小电枢龟感永磁无刷直流电动机(5)驱动由软开关桥(3)和三相逆变桥(4) 实现，串联的L0、 C0， Ll、 Cl， L2、 C2为谐振元件，通过它们的谐振作用使三相逆变桥(4) 中的开关管实现零电流转换。
全文摘要
一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统，它主要由软开关桥、三相逆变桥、小电枢电感永磁无刷直流电动机、电流滤波及A/D转换电路、数字控制器等部件组成。本发明针对小电枢电感永磁无刷直流电动机的特点，采用软开关桥加三相逆变桥组成电机的驱动电路，提高了驱动电路的开关频率，从根本上解决了由电机绕组中电流高频变化而引起的涡流损耗，提高了控制系统的带宽，减小了电枢反应和电磁干扰，提高了磁悬浮控制力矩陀螺高速控制系统的运行效率，对注重节能的航天器有很高的应用价值。
文档编号G01C19/24GK101270987SQ20081011172
公开日2008年9月24日 申请日期2008年5月15日 优先权日2008年5月15日
发明者于灵慧, 刘晓源, 房建成, 李海涛, 王宗省, 郭方正 申请人:北京航空航天大学