力矩模式飞轮控制电路和方法与流程

1.本发明涉及电路设计技术领域，尤其涉及一种力矩模式飞轮控制电路和方法。


背景技术：

2.卫星在轨工作过程中，任务的完成不仅依赖于卫星上载荷，还取决于卫星姿态控制系统。卫星在轨工作时间越来越长，在某些任务执行过程中，要求卫星具备快速稳定、姿态机动和高精度定位能力，高可靠、高性能的姿态控制系统已成为确保卫星顺利完成预定任务的前提。三轴稳定姿态控制由于精度高、寿命长、机动性高，越来越多地被采用。主动的三轴姿态控制系统主要分为喷气控制和飞轮控制两种，喷气控制是利用推力器排出的气体质量来产生控制力矩，控制卫星的三轴姿态。飞轮控制是利用飞轮所储存的角动量与卫星进行角动量交换，在飞轮饱和时需采用磁力矩器进行卸载。相比喷气控制，飞轮控制具有不消耗燃料、无环境污染、控制精度高、寿命长的优点，在主卫星姿态控制系统中越来越多地被采用。
3.飞轮技术已成为航天器姿态控制的关键技术之一，卫星姿态控制系统利用飞轮加速、减速所产生的反作用力矩，输出可控的角动量，飞轮的输出力矩或角动量作用在卫星上，实现卫星姿态稳定或姿态机动。作为卫星姿态控制系统的一个关键部件，飞轮的可靠性直接决定了卫星的性能和寿命。飞轮控制电路主要是保证飞轮在四象限运行时输出力矩的平稳性，同时要避免飞轮工作时对一次电源的污染，由于飞轮属于一次加电、长期运行的空间产品，随着卫星控制精度、星上节能要求的逐步提高，飞轮制动模式切换所产生的非理想力矩对卫星姿控的影响也不容忽视，提高飞轮驱动电路可靠性、输出效率，抑制飞轮电机加速和减速运行过程中的力矩波动，对进一步提高飞轮输出力矩的精度具有重要意义。
4.随着电机技术的成熟，飞轮电机开始较多地使用永磁无刷直流电机。无刷直流电机用电子换向替代了电刷和换向器，可以实现高性能、高可靠性、高寿命、免维护的目的，成为集交流电机和直流电机优点于一体的新型电机，除了保持有刷直流电机优越的起动和调速性能外，其最大的特点是没有换向器和电刷组成的机械接触结构，因而具有寿命长、噪声低、电磁干扰小、运行可靠、维护简单等一系列优点。它的缺点是力矩波动较大，特别是用于飞轮的驱动电机需要设计成无铁心的，以避免铁芯谐波产生的转矩波动。该电机具有长时工作、转速高、可靠性高、效率要求高和运行平稳等特点。
5.国外某飞轮控制电路采用模拟电路方式，由多个分立器件组合实现，控制电路体积大、功耗高、精度低，目前高性能飞轮都使用数字式控制方式。飞轮一般有速率模式、力矩模式两种。速率模式要求飞轮的转速与输入控制信号成比例关系，以转速作为反馈量构成闭路控制环节。力矩模式要求飞轮的输出力矩与输入控制信号成比例关系。飞轮速率控制模式的优点是，通过速率闭环将轴承摩擦等干扰力矩补偿掉，但由于受工作环境影响，飞轮不能使用高精度传感器，受转速脉冲数的限制，在低速模式下飞轮转速测量精度较低，输出力矩精度低，只能用于偏置状态。然而力矩控制模式不受转速测量精度的限制。
6.飞轮电机一般有三相半桥和三相全桥两种调制模式，三相半桥使用buck半桥驱动
电路，但由于电机换相时没有二极管续流回路，在换相过程中对功率管的冲击较大，反电势电压对星上电源也产生了影响，降低了系统可靠性，同时每一时刻只有一相绕组通电，电机效率低。


技术实现要素：

7.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种力矩模式飞轮控制电路和方法，用以解决现有的力矩波动大、能耗制动不足、以及模式切换所导致的力矩突变的问题。
8.一方面，本发明实施例提供了一种力矩模式飞轮控制电路，包括：处理器电路，包括fpga，所述fpga用于接收力矩大小信号和力矩方向信号，并基于所述力矩大小信号和所述力矩方向信号提供多个第一控制信号；飞轮驱动电路，包括并联的一级能耗电路、二级能耗电路和三相全桥驱动电路，其中，所述三相全桥驱动电路为飞轮电机提供电机绕组电压，以及通过所述多个第一控制信号控制所述一级能耗电路、所述二级能耗电路与所述三相全桥驱动电路；以及电源电路，包括电源转换器q和第一二极管d，经由所述电源转换器q和所述第一二极管d向所述飞轮驱动电路提供电源电压，其中，根据由所述fpga提供给所述电源转换器q的第二控制信号调节在线性区域中工作的所述电源转换器q的输出电压。
9.上述技术方案的有益效果如下：通过顺序启动一级能耗电路和二级能耗电路调节制动速度和制动力矩，能够降低力矩波动，避免能耗制动不足，并且缓解模式切换所导致的力矩突变。另外，通过调节提供给飞轮驱动电路的电压实现上电缓启动。
10.基于上述电路的进一步改进，所述处理器电路包括：第一力矩幅值信号通路，用于将第一力矩幅值信号提供给所述fpga；第二力矩幅值信号通路，用于将第二力矩幅值信号提供给所述fpga，其中，所述第一力矩幅值信号与所述第二力矩幅值信号相同，所述第一力矩幅值信号通路为所述第二力矩幅值信号通路的备用通路；以及力矩方向信号通路，将力矩方向信号提供给所述fpga。
11.基于上述电路的进一步改进，所述处理器电路还包括共用反相器，通过所述共用反相器将所述第一力矩幅值信号和所述第二力矩幅值信号提供给所述fpga；所述第一力矩幅值信号通路包括第二二极管，将所述第一力矩幅值信号提供给所述第二二极管的输入端，以及将所述第二二极管的输出端与所述共用反相器的输入端连接；所述第二力矩幅值信号通路包括第三二极管，将所述第二力矩幅值信号提供给所述第三二极管的输入端，以及将所述第三二极管的输出端与所述共用反相器的输入端连接；以及力矩方向信号通路包括第四二极管、rc滤波器和稳压电阻器，其中，将所述力矩方向信号提供给所述第四二极管的输入端，将所述第四二极管的输出端与rc滤波器的第一端连接，将所述rc滤波器的第二端与所述稳压电阻器的一端以及所述fpga连接，其中，所述稳压电阻器的另一端接地。
12.基于上述电路的进一步改进，所述飞轮驱动电路包括buck变换器、续流二极管、开关电感器和开关电容器，通过由所述fpga提供的第三控制信号控制所述buck变换器的导通时间来调节提供给所述三相全桥驱动电路的电压；所述续流二极管与串联的所述开关电感器和所述开关电容器并联；以及所述开关电容器与所述一级能耗电路、所述二级能耗电路、以及所述三相全桥驱动电路并联。
13.基于上述电路的进一步改进，所述一级能耗电路包括串联的一级能耗制动管和第一电阻器；以及所述二级能耗电路包括串联的二级能耗制动管和第二电阻器，其中，通过顺
序导通所述一级能耗制动管和所述二级能耗制动管来调节制动速度和制动力矩。
14.基于上述电路的进一步改进，所述电源电路还包括第一电流保护电路和第二电流保护电路，其中，所述第一电流保护电路与所述第二电流保护电路并联。
15.基于上述电路的进一步改进，所述第一电流保护电路包括第一熔断器f1、第三电阻器和第四电阻器，其中，所述第一熔断器f1与并联的所述第三电阻器和所述第四电阻器串联；以及所述第二电流保护电路包括第二熔断器f2。
16.基于上述电路的进一步改进，所述电源电路还包括继电器开关、储能电容器和分压器，其中，所述储能电容器与所述分压器并联，所述继电器开关与并联的所述第一电流保护电路与所述第二电流保护电路串联，以及与并联的所述储能电容器和所述分压器串联。
17.另一方面，本发明实施例提供了一种力矩模式飞轮控制方法，包括：将力矩大小信号和力矩方向信号提供给fpga，其中，所述fpga基于所述力矩大小信号和力矩方向信号，得到多个第一控制信号；通过所述多个第一控制信号分别控制飞轮驱动电路中并联的一级能耗电路、二级能耗电路与三相全桥驱动电路，其中，所述三相全桥驱动电路为飞轮电机提供电机绕组电压；以及经由电源转换器q和第一二极管d向所述飞轮驱动电路提供电源电压，其中，根据由所述fpga提供给所述电源转换器q的第二控制信号调节在线性区域中工作的所述电源转换器q的输出电压。
18.基于上述方法的进一步改进，力矩模式飞轮控制方法还包括：通过第一力矩幅值信号通路将第一力矩幅值信号提供给所述fpga；通过第二力矩幅值信号通路将第二力矩幅值信号提供给所述fpga；以及通过力矩方向信号通路将力矩方向信号提供给所述fpga。
19.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
20.(1)高性能力矩模式飞轮控制技术
21.本发明设计了一种高可靠三相全桥飞轮电机驱动电路，基于pam、pwm相结合的控制策略，大大降低了飞轮工作过程中电压、电流冲击，提升了飞轮可靠性。
22.(2)高可靠指令信号采集技术
23.本发明设计了力矩指令大小及方向信号采集电路，通过增加二极管的方式实现与星上信号的隔离，切断了飞轮与卫星的潜通路，具有较高的可靠性。
24.(3)高效率飞轮驱动与制动技术
25.本发明设计了二级能耗制动、反接制动相结合的制动电路，能够精确地获得飞轮电机电流，模式切换过程中会不会出现力矩突变现象。
26.(4)飞轮高可靠供电技术
27.本发明设计了基于熔断器、继电器相结合的保护电路，即使飞轮内部出现故障，可以通过继电器进行断电，避免飞轮对卫星的影响。
28.(5)飞轮浪涌电流抑制技术
29.本发明设计了基于mos管加二极管相结合的浪涌电流抑制电路，通过mos管实现正向浪涌抑制，通过二极管实现反相浪涌抑制，将飞轮浪涌电流限制在较低水平，避免对卫星电源的冲击。
30.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所
特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
31.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
32.图1为根据本发明实施例的飞轮控制电路的简化框图；
33.图2为根据本发明实施例的飞轮控制电路的框图；
34.图3为根据本发明实施例的处理器电路；
35.图4为根据本发明实施例的飞轮驱动电路原理框图；
36.图5为根据本发明实施例的电源电路原理框图；以及
37.图6为根据本发明实施例的飞轮控制方法的流程图。
38.附图标记：
39.102-处理器电路；104-飞轮驱动电路；106-电源电路；
具体实施方式
40.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
41.本发明的一个具体实施例，公开了一种力矩模式飞轮控制电路，如图1所示。力矩模式飞轮控制电路包括：处理器电路102，包括fpga，fpga用于接收力矩大小信号和力矩方向信号，并基于力矩大小信号和力矩方向信号提供多个第一控制信号；飞轮驱动电路104，包括并联的一级能耗电路、二级能耗电路和三相全桥驱动电路，其中，三相全桥驱动电路为飞轮电机提供电机绕组电压，以及通过多个第一控制信号控制一级能耗电路、二级能耗电路与三相全桥驱动电路；以及电源电路106，包括电源转换器q1和第一二极管d1，经由电源转换器q1和第一二极管d1向飞轮驱动电路提供电源电压，其中，根据由fpga提供给电源转换器q1的第二控制信号调节在线性区域中工作的电源转换器q1的输出电压。
42.基于力矩大小信号和所述力矩方向信号得到多个第一控制信号，该多个第一控制信号分别用于控制一级能耗电路和二级能耗电路的顺序启动以降低力矩波动，从而避免制动不足，以及用于控制三相全桥驱动电路的换向管(图4中的换向管q1至q6)的顺序启动以为飞轮电机提供电机绕组电压以实现飞轮电机的模式切换。第二控制信号用于控制电源转换器q(参见图5中的q)在线性区域中工作，从而能够调节电源转换器q(参见图5中的q)的输出电压以能够实现上电缓启动。
43.与现有技术相比，本实施例提供的力矩模式飞轮控制电路，通过顺序启动一级能耗电路和二级能耗电路调节制动速度和制动力矩，能够降低力矩波动，避免能耗制动不足，并且缓解模式切换所导致的力矩突变。另外，通过调节提供给飞轮驱动电路的电压实现上电缓启动。
44.力矩模式飞轮控制电路包括：处理器电路102，包括fpga，fpga用于接收力矩大小信号和力矩方向信号，并基于力矩大小信号和力矩方向信号提供多个第一控制信号。处理器电路102包括：第一力矩幅值信号通路，用于将第一力矩幅值信号提供给fpga；第二力矩幅值信号通路，用于将第二力矩幅值信号提供给fpga，其中，第一力矩幅值信号与第二力矩
幅值信号相同，第一力矩幅值信号通路为第二力矩幅值信号通路的备用通路；以及力矩方向信号通路，将力矩方向信号提供给fpga。
45.处理器电路102还包括共用反相器u1b，通过共用反相器u1b将第一力矩幅值信号(参见图3中的力矩指令大小1)和第二力矩幅值信号(参见图3中的力矩指令大小2)提供给fpga；第一力矩幅值信号通路包括第二二极管d1，将第一力矩幅值信号提供给第二二极管d1的输入端，以及将第二二极管d1的输出端与共用反相器的输入端连接；第二力矩幅值信号通路包括第三二极管d2，将第二力矩幅值信号提供给第三二极管d2的输入端，以及将第三二极管d2的输出端与共用反相器的输入端连接；以及力矩方向信号(参见图3中的力矩指令方向)通路包括第四二极管d3、rc滤波器和稳压电阻器r1，其中，将力矩方向信号提供给第四二极管d3的输入端，将第四二极管d3的输出端与rc滤波器的第一端连接，将rc滤波器的第二端与稳压电阻器的一端以及fpga连接，其中，稳压电阻器r1的另一端接地。具体地，rc滤波器包括电阻器r40和电容器c1。
46.力矩模式飞轮控制电路还包括飞轮驱动电路104。飞轮驱动电路104包括并联的一级能耗电路、二级能耗电路和三相全桥驱动电路，其中，三相全桥驱动电路为飞轮电机提供电机绕组电压，以及通过多个第一控制信号控制一级能耗电路、二级能耗电路与三相全桥驱动电路。飞轮驱动电路104包括buck变换器、续流二极管、开关电感器和开关电容器，通过由fpga提供的第三控制信号控制buck变换器的导通时间来调节提供给三相全桥驱动电路(图4中的换向管q1至q6)的电压；以及续流二极管与串联的开关电感器和开关电容器并联；以及开关电容器与一级能耗电路、二级能耗电路、以及三相全桥驱动电路并联。参见图4，一级能耗电路包括串联的一级能耗制动管q8和第一电阻器rn1；以及二级能耗电路包括串联的二级能耗制动管q9和第二电阻器rn2，其中，通过顺序导通一级能耗制动管q8和二级能耗制动管q9来调节制动速度和制动力矩。第三控制信号为buck变换器q7的导通控制信号，fpga基于控制策略，可由现有方式获得。
47.力矩模式飞轮控制电路还包括电源电路106。电源电路106包括电源转换器q和第一二极管d，经由电源转换器q和第一二极管d向飞轮驱动电路提供电源电压，其中，根据由fpga提供给电源转换器q的第二控制信号调节在线性区域中工作的电源转换器q的输出电压。电源电路106还包括第一电流保护电路和第二电流保护电路，其中，第一电流保护电路与第二电流保护电路并联。具体地，参考图5，第一电流保护电路包括第一熔断器f1、第三电阻器r1和第四电阻器r2，其中，第一熔断器f1与并联的第三电阻器r1和第四电阻器r2串联；以及第二电流保护电路包括第二熔断器f2。另外，电源电路还包括继电器开关k1和k2、储能电容器c1、c2和分压器r3至r7，其中，储能电容器与分压器并联，继电器开关与并联的第一电流保护电路与第二电流保护电路串联，以及与并联的储能电容器和分压器串联。
48.下文中，参考图2至图5，对力矩模式飞轮控制电路进行详细描述。
49.飞轮是现代卫星高精度姿态控制的关键执行机构，高精度、高可靠性一直是现代飞轮技术发展的目标。本发明实施例的飞轮控制电路原理框图如图2所示，由处理器电路、电源电路、驱动电路三部分组成。飞轮的工作原理是，飞轮处理器电路实时采集当前力矩指令信号、飞轮转速方向、转速大小、电机电流信号，经过fpga控制策略处理后进行控制模式变化，发送给驱动电路，当飞轮电机绕组中按规律通入电流时，飞轮电机会加速或减速运动。
50.根据卫星姿态控制系统需求，飞轮需要具备加、减速运动功能，根据飞轮工作原理，将飞轮工作分为电动、能耗制动、反接制动、安全模式四种状态。飞轮在加速过程中为电动状态，速度超过最大限速后进入安全模式，在减速过程中分为能耗制动、反接制动，当运行速度较高时，采用能耗制动模式减速，能够降低系统功耗，当转速降低至一定程度后，单纯的能耗制动不足以产生所需要的制动力矩时，采用反接制动模式。
51.参考图3，飞轮处理器电路采用反相加法器实现双路力矩指令信号的采集，采用io信号实现，飞轮力矩指令方向信号的采集，二极管d1、d2、d3实现飞轮控制电路与星上电路的单向导通，避免了与星载计算机潜在通路的问题，提高了飞轮可靠性。力矩指令方向信号经过滤波器r40、c1滤波后进入fpga电路，滤波的作用是防止高频噪声影响，电阻r1的作用是提供稳定的低电平，防止力矩指令方向信号突变。
52.参考图4，飞轮驱动电,采用buck电路加制动电路的方式。具体地，udc为电机母线电压，qi(i＝1-6)为换相管(参见图4)，q7为buck变换管，q8为一级能耗制动管，q9为二级能耗制动管，vd为续流二极管，l为开关电感，c为开关电容。buck电路用于飞轮电动加速、反接制动减速，buck电路的性能直接影响飞轮动态性能，在电动状态下，buck电路可以大大降低飞轮功耗以及转矩波动，需要合理设计buck电路的l、c参数，使工作频率、电源纹波满足飞轮电机的动态需求。能耗制动电路需要选择合理的功率电阻，太大会影响制动效果，太小会加大电阻的体积、重量，阻值的选取需要综合考虑开关频率、制动转速。基于三相六状态方式，飞轮永磁无刷直流电机采用星型连接，每个时刻只能允许上下桥中的一个开关管导通。但在实际使用中由于电机内部两相绕组之间的电阻和电感都较小，需考虑增加额外的相电流滤波措施。在buck管一端为降低反接模式下电容的充电电压，需调整滤波电容与电感与电机及控制方法相匹配。另外，为解决能耗只能模式末端电机反电势下降的问题，设计二级能耗制动电路。
53.参考图5，f1、f2为熔断器，当飞轮过流时迅速熔断，防止飞轮故障时对星上电源产生影响，r1、r2为限流电阻，正常情况下先熔断f1、再熔断f2。k1、k2为继电器，通过星上开关指令，给飞轮加断电，c1、c2、r3、r4、r5、r6、r7、q实现上电缓启动，避免飞轮较大的启动尖峰电流对卫星电源造成冲击，提高系统可靠性，二极管d防止飞轮高速旋转产生的反电势，对卫星电源造成干扰。本发明实施例的电源电路具有可靠性高、性能好的优点。
54.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
55.1、采用基于fpga的数字控制电路，通过基于预置的自适应力矩控制策略实现对飞轮输出力矩的精确控制，替代传统的模拟控制电路，本发明控制电路体积更小、效率更高、精度更高，既能够用于偏置模式、也能够用于反作用模式；
56.2、飞轮驱动电路由于长期处于高频开关工作状态，尤其是mosfet功率器件性能容易下降甚至损坏，是飞轮高可靠、长寿命工作的关键因素，现有技术中通常使用多个mosfet并联等冗余措施，但是通过实物冗余的方法使产品体积大、成本高和重量高。本发明采用三相全桥电机、基于buck变换器的三相全桥驱动电路，工作性能更高、效率更高、可靠性更高；
57.3、飞轮工作过程中，存在电动、反接制动、能耗制动三种工作模式，每种工作模式下飞轮电机处于不同的工作状态(四象限)，由于飞轮在电动、反接制动、能耗制动过程中电机母线电流并不完全一致，现有技术中通常采用电机母线电流直接作为闭环反馈对象，这样会造成在工作模式切换时产生较大的转矩脉动，导致飞轮输出力矩精度低。本发明采用
高精度采样电路，将模式切换转矩脉动抑制在较低水平；
58.4、本发明通过采用buck变换器调整电机绕组电压，实现对电机电流的方式，替代传统的直接对三相桥脉宽调制，可以更精确、更快速地控制电机电流，也降低了功率管的开关功耗。同时由于电机绕组不与电源母线直接连接，消除了电机反电势波动对卫星一次电源的污染；以及
59.5、本发明通过采用二级能耗降低与反接制动的切换转速，替代传统的线性管直接制动，使飞轮模式切换时功耗衔接平稳，缓解了卫星供电压力，同时消除了电机内部不可控内环流，降低飞轮在转速过零及模式切换时输出力矩波动。
60.下文中，将参考图6对飞轮控制方法进行详细描述。
61.参考图6，力矩模式飞轮控制方法包括：步骤s602，将力矩大小信号和力矩方向信号提供给fpga，其中，fpga基于力矩大小信号和力矩方向信号，得到多个第一控制信号；步骤s604，通过多个第一控制信号分别控制飞轮驱动电路中并联的一级能耗电路、二级能耗电路与三相全桥驱动电路，其中，三相全桥驱动电路为飞轮电机提供电机绕组电压；以及步骤s606，经由电源转换器q和第一二极管d向飞轮驱动电路提供电源电压，其中，根据由fpga提供给电源转换器q的第二控制信号调节在线性区域中工作的电源转换器q的输出电压。
62.力矩模式飞轮控制方法还包括：通过第一力矩幅值信号通路将第一力矩幅值信号提供给fpga；通过第二力矩幅值信号通路将第二力矩幅值信号提供给fpga；以及通过力矩方向信号通路将力矩方向信号提供给fpga。
63.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
64.(1)高性能力矩模式飞轮控制技术
65.本发明设计了一种高可靠三相全桥飞轮电机驱动电路，基于pam、pwm相结合的控制策略，大大降低了飞轮工作过程中电压、电流冲击，提升了飞轮可靠性。
66.(2)高可靠指令信号采集技术
67.本发明设计了力矩指令大小及方向信号采集电路，通过增加二极管的方式实现与星上信号的隔离，切断了飞轮与卫星的潜通路，具有较高的可靠性。
68.(3)高效率飞轮驱动与制动技术
69.本发明设计了二级能耗制动、反接制动相结合的制动电路，能够精确地获得飞轮电机电流，模式切换过程中会不会出现力矩突变现象。
70.(4)飞轮高可靠供电技术
71.本发明设计了基于熔断器、继电器相结合的保护电路，即使飞轮内部出现故障，可以通过继电器进行断电，避免飞轮对卫星的影响。
72.(5)飞轮浪涌电流抑制技术
73.本发明设计了基于mos管加二极管相结合的浪涌电流抑制电路，通过mos管实现正向浪涌抑制，通过二极管实现反相浪涌抑制，将飞轮浪涌电流限制在较低水平，避免对卫星电源的冲击。
74.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
75.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。