专利名称：一种磁悬浮反作用飞轮电机高精度速率模式控制系统的制作方法
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。由于空间环境的千扰力矩的量级很小，例如地球同步轨道卫星太阳辐射压形成的干扰力矩为1CT4N.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1/0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。本发明的原理是如图3所示，在增量式轴角编码器的电气允许转速范 围内时使用增量式轴角编码器的输出信号作为速度反馈信号，当飞轮转速继 续升高超过增量式轴角编码器的电气允许转速时采用霍尔转子位置传感器 的输出信号作为飞轮的速度反馈信号。也就是说飞轮转速在增量式轴角编码 器的电气允许转速范围内时速度反馈信号由增量式轴角编码器提供，而速度 在增量式轴角编码器的电气允许转速范围外时的速度反馈信号由霍尔转子 位置传感器提供，从而保证了磁悬浮反作用飞轮在整个调速范围内的速度反 馈精度，在以数字信号处理器DSP为核心的控制器上实现磁悬浮反作用飞 轮电机的高精度速率模式控制，将参考转速与反馈转速做差后输入到PID速 度控制器，PID速度控制器的输出作为电流环PID控制算法的电流参考，与 经过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，电流环PID控制算法的输出量经以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 PWM波形，PWM信号经功率放大器的驱动电路并根据换相逻辑触发相应 本发明与现有技术相比的优点在于(1 )与采用力矩控制模式的飞轮 相比高精度的速率模式控制方式的输出量为飞轮速度和加速度，而不是直接 输出力矩，从而能够有效的抑制风阻和电机损耗力矩等内干扰因素的影响；(2 )通过增量式轴角编码器的两路正交编码脉冲信号在增量式轴角编码器电气允许转速范围内为磁悬浮反作用飞轮电机的低速控制提供速度反馈信 号实现了磁悬浮反作用飞轮电机低速的高精度速率模式控制，在增量式轴角 编码器电气允许转速范围外时釆用霍尔转子位置传感器的信号作为速度反 馈实现了高速时的高精度速率模式控制。
图1为本发明的组成框图；图2为本发明的DSP为核心控制器的结构图；图3为本发明的控制原理框图。
具体实施方式
如图1,本发明由DSP为核心的控制器1、三相桥功率放大器2、三相 桥驱动电路3、增量式轴角编码器4、三相永磁无刷直流电机5、 28V直流 稳恒电源6、 士15V直流稳恒电源7、 +5V直流稳恒电源8、电流检测环节9 和霍尔效应转子位置传感器10组成，当磁悬浮反作用飞轮的三相永磁无刷 直流电机5转速较低时转速反馈信号从增量式轴角编码器4获取，当转速达 到电气允许转速以上时，转速反馈信号从霍尔效应转子位置传感器10获取， 霍尔效应转子位置传感器10的输出信号由DSP为核心的控制器1的捕获单 元进行捕荻，并生成换相逻辑，电流检测环节9的输出信号由DSP为核心 的控制器1的A/D模块进行釆样，DSP为核心的控制器1输出的6路PWM 信号经三相桥驱动电路3进行功率放大后触发三相桥功率放大器2相应的功 率器件，驱动三相永磁无刷直流电机5实现转速控制和调节，三相桥功率放
大器2由28V直流稳恒电源6供电，三相桥驱动电路3由土15V直流稳恒电 源7供电，DSP为核心的控制器1由+5V直流稳恒电源8供电。如图2、 3所示，本发明的DSP为核心的控制器1由数字1/0模块和捕 获单元模块、A/D模块、CPU、存储器和PWM波形发生模块组成。当磁悬 浮反作用飞轮的三相永磁无刷直流电机5的转速较低时，DSP为核心的控 制器1中的数字1/0模块和捕获单元模块从增量式轴角编码器4获取转速反 馈信号，当转速达到增量式轴角编码器4的电气允许转速以上时，DSP为 核心的控制器1中的数字1/0模块和捕获单元模块从霍尔效应转子位置传感 器10获取转速反馈信号，将参考转速与反馈转速做差后输入到PID转速控 制器，PID转速控制器的输出作为电流环PID控制算法的电流参考，与经过 DSP为核心的控制器1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，电流环PID控制算法的输出量经以DSP为 核心的控制器1的PWM波形发生模块中的比较寄存器的值进行比较生成 PWM波形，PWM信号经三相桥驱动电路3并根据换相逻辑触发相应的三 相桥式功率放大器2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5的转速。
权利要求
1、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(1)、三相桥功率放大器(2)、三相桥驱动电路(3)、增量式轴角编码器(4)、三相永磁无刷直流电机(5)、电流检测环节(9)和霍尔效应转子位置传感器(10)，磁悬浮反作用飞轮的三相永磁无刷直流电机(5)飞轮的转速较低时，DSP为核心的控制器(1)从与三相永磁无刷直流电机(5)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(5)飞轮转速达到电气允许转速以上时，DSP为核心的控制器(1)从与三相永磁无刷直流电机(5)相接的霍尔效应转子位置传感器(10)获取速度反馈信号，DSP为核心的控制器(1)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(3)根据换相逻辑触发相应的三相桥功率放大器(2)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(5)的转速，实现速度控制和调节。
2、 根据权利要求1或是2所述的一种磁悬浮反作用飞轮电机高精度速 率模式控制系统，其特征在于所述的三相桥功率放大器(2)由28V直流 稳恒电源(6)供电，三相桥驱动电路(3)由土15V直流稳恒电源(7)供 电，DSP为核心的控制器(1)由+5V直流稳恒电源(8)供电。
3、 根据权利要求1所述的一种磁悬浮反作用飞轮电机高精度速率模式 控制系统，其特征在于所述的DSP为核心的控制器(1 )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(10)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(9)的 输出信号经DSP为核心的控制器(1 )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(1 )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(3)并 根据换相逻辑触发相应的三相桥功率放大器(2)的功率器件导通来进行换 向和调节三相永》兹无刷直流电机(5)的转速。
全文摘要
一种磁悬浮反作用飞轮电机高精度速率模式控制系统，用于新一代高稳定度卫星的高精度姿态控制执行机构——磁悬浮反作用飞轮电机的高精度速度控制，它主要由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、28V稳恒直流电源、+15V稳恒直流电源、±5V稳恒直流电源、电流检测环节和霍尔效应转子位置传感器等组成。本发明通过增量式轴角编码器的两路正交编码脉冲信号在增量式轴角编码器电气允许转速范围内为磁悬浮反作用飞轮电机的低速控制提供速度反馈信号实现了磁悬浮反作用飞轮电机的高精度速率模式控制，在增量式轴角编码器电气允许转速范围外时采用霍尔转子位置传感器的信号作为速度反馈。
文档编号G05D1/00GK101127501SQ20071011996
公开日2008年2月20日 申请日期2007年8月6日 优先权日2007年8月6日
发明者刚 刘, 房建成, 樊亚洪, 王志强 申请人:北京航空航天大学