專利名稱：一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置，主要用于新一代
衛(wèi)星的長壽命、高精度姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于抑制磁懸浮反作用飛輪電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩脈 動，保證磁懸浮反作用飛輪輸出平穩(wěn)控制力矩。
背景技術(shù)：
飛輪是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行部件，主要用于實現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動和姿態(tài)穩(wěn) 定。在航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中，飛輪按照姿控系統(tǒng)指令，提供合適的控制力矩，矯正航天器 的姿態(tài)偏差，或完成某種姿態(tài)的調(diào)整。通過飛輪與衛(wèi)星本體間的角動量交換，吸收由于空間 環(huán)境干擾力矩引起的星體角動量變化，實現(xiàn)穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)的目的。在航天空間飛行器姿態(tài) 控制中，通過對大慣量飛輪轉(zhuǎn)子的加速和制動(減速)控制，產(chǎn)生施加在載體上的反作用力 矩，從而實現(xiàn)對載體運動的控制。當(dāng)電機(jī)處于減速制動狀態(tài)時，常用的方法是能耗制動和 反接制動綜合方法。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速很高時，利用飛輪轉(zhuǎn)子貯存的動能，進(jìn)行能耗制動；當(dāng)電機(jī) 的轉(zhuǎn)速變低后，再切換成反接制動。 隨著對衛(wèi)星精度的要求越來越高，要求飛輪的控制精度越來越高。磁懸浮反作用 飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動是影響磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制精度的主要因素，并且轉(zhuǎn)矩脈動會降 低電力傳動系統(tǒng)控制特性并造成機(jī)器噪音，振動，降低機(jī)器使用壽命和驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。 要實現(xiàn)磁懸浮反作用飛輪的高精度、高穩(wěn)定控制就必須要采取有效的措施來抑制電機(jī)轉(zhuǎn)矩 脈動。轉(zhuǎn)矩脈動是無刷電機(jī)在低速運行時的一項十分重要的性能指標(biāo)，通常高性能伺服系 統(tǒng)的低速轉(zhuǎn)矩脈動應(yīng)小于3%。造成轉(zhuǎn)矩脈動的原因多種多樣，電機(jī)的三大組成部分都對 轉(zhuǎn)矩脈動有直接影響。按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的原因，可分以下幾方面電磁因素引起的轉(zhuǎn)矩脈 動、電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動、齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動、電樞反應(yīng)影響和機(jī)械工藝引起的轉(zhuǎn)矩 脈動等。 目前采用硬件對于轉(zhuǎn)矩脈動的抑制裝置主要是針對電機(jī)電動狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩脈動 進(jìn)行抑制的，還未提出關(guān)于制動狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩脈動的抑制方法。通用的電動狀態(tài)下的抑 制轉(zhuǎn)矩脈動的方法為在三相逆變橋前端加上BUCK變換器，其各部分連接關(guān)系如圖3所 示(自張曉峰，胡慶.基于BUCK變換器的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法.電工技術(shù)學(xué) 報.2005,20(9). p72-p81)。通過單一直流母線電流的反饋閉環(huán)控制來抑制轉(zhuǎn)矩脈動的方 法，這種轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置由降壓斬波開關(guān)管21、 LC濾波電路22、逆變電路23組成，在這 種控制方式下，由于三相逆變橋(逆變電路23)采用的是恒通方式，此時直流母線上的采樣 電流值在每一個傳導(dǎo)區(qū)內(nèi)，不會出現(xiàn)脈動，可以實時地反映導(dǎo)通相繞組的真實電流大小。此 時直流母線電流反饋信號和給定信號的誤差信號來控制BUCK電路開關(guān)管(降壓斬波開關(guān) 管21)的占空比，來實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，使得電磁轉(zhuǎn)矩Te在每一個傳導(dǎo)區(qū)內(nèi)為恒定值，有 效的消除了傳導(dǎo)區(qū)轉(zhuǎn)矩脈動的現(xiàn)象。但反作用飛輪不僅存在電動運行狀態(tài)還存在制動運行 狀態(tài)。采用這種裝置，當(dāng)飛輪輸出正力矩處于電動運行狀態(tài)時其轉(zhuǎn)矩脈動可以予以解決，但 當(dāng)飛輪輸出負(fù)力矩進(jìn)行反接制動時，此時逆變電路23運行與電動狀態(tài)相反的換相表，即當(dāng)某相反電動勢值最低時令此相開關(guān)管導(dǎo)通。為了防止產(chǎn)生相間環(huán)流，要求繞組端電壓高于 反接制動運行狀態(tài)下各相的最高反電動勢，此時降壓斬波開關(guān)管21用來控制繞組端電壓 使其高于各相的最高反電動勢，而逆變電路23各開關(guān)管既進(jìn)行換相又進(jìn)行調(diào)制以產(chǎn)生要 求的控制力矩，在調(diào)制過程中由于開關(guān)管不停的處于開通與關(guān)斷的切換狀態(tài)，因此，繞組電 流會出現(xiàn)上下波動，進(jìn)而會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的反作用飛輪電機(jī)處于能耗制動、 反接制動運行過程中，由于開關(guān)管處于調(diào)制狀態(tài)導(dǎo)通區(qū)電磁轉(zhuǎn)矩脈動嚴(yán)重的問題，本發(fā)明 提出一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法，能夠有效的降低反作用飛輪電機(jī) 在能耗制動、反接制動過程中產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩脈動。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置，包 括直流電源、降壓斬波調(diào)制開關(guān)管、LC濾波電路、電機(jī)繞組、逆變電路，能耗制動電路和調(diào)制 脈動抑制電路，其中直流電源連接到降壓斬波調(diào)制開關(guān)管的集電極，降壓斬波調(diào)制開關(guān)管 的基極觸發(fā)信號由數(shù)字信號處理器產(chǎn)生，用于控制降壓斬波調(diào)制開關(guān)管的開通與關(guān)斷，對 直流電源的電壓進(jìn)行調(diào)制；LC濾波電路連接到降壓斬波調(diào)制開關(guān)管的發(fā)射極用于接收經(jīng)
降壓斬波開關(guān)管調(diào)制后的電壓，濾除附著在調(diào)制后電壓上的噪聲及高頻信號；能耗制動電 路與LC濾波電路和電機(jī)繞組連接，用于調(diào)節(jié)能耗制動電流；電機(jī)繞組接收經(jīng)LC濾波電路濾 波后的電壓并在逆變電路的作用下控制電機(jī)運行；逆變電路與電機(jī)繞組連接用于接收由數(shù) 字信號處理器產(chǎn)生的換相信號；調(diào)制脈動抑制電路與逆變電路連接，接收由數(shù)字信號處理 器產(chǎn)生的脈動抑制控制信號。 能耗制動電路由能耗制動電阻、能耗制動續(xù)流回路和能耗制動開關(guān)管組成，其中 能耗制動續(xù)流回路一端與能耗制動電阻相連接，另一端與能耗制動開關(guān)管相連接。調(diào)制脈 動抑制電路由電動通路和反接制動通路組成，電動通路和反接制動通路同時與逆變電路的 三個換相開關(guān)管的發(fā)射極相連，在電機(jī)電動運行過程中，逆變電路與電動通路組成電流導(dǎo) 通電路；在電機(jī)反接制動過程中，逆變電路與反接制動通路組成電流導(dǎo)通電路。反接制動通 路由反接制動續(xù)流回路與反接制動開關(guān)管組成，其中反接制動續(xù)流回路上端與逆變電路的 三個換相開關(guān)管的發(fā)射極相連，下端與反接制動開關(guān)管的集電極相連接；反接制動開關(guān)管 的基極與數(shù)字信號處理器相連接，接收由數(shù)字信號處理器產(chǎn)生的脈動抑制控制信號，反接 制動開關(guān)的發(fā)射極接地。 本發(fā)明的原理是磁懸浮反作用飛輪根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)控制信號的要求分別進(jìn)行電動 運行和制動運行控制，由于調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)地要求，反作用飛輪不僅要輸出正力矩還要輸出
負(fù)力矩，由電磁轉(zhuǎn)矩力矩公式義=+ (W。 ，其中，"m為飛輪角速度，ea， eb， ec分
別代表A， B， C三相繞組的相反電動勢，ia， ib， i。分別代表A， B， C導(dǎo)通相繞組電流。當(dāng)反作 用飛輪輸出正力矩時要求導(dǎo)通相反電動勢和導(dǎo)通相電流的方向相同，當(dāng)某相繞組的反電動 勢最高時令此相繞組導(dǎo)通，飛輪輸出正力矩；飛輪輸出負(fù)力矩時，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速比較高進(jìn)行能 耗制動，此時將供電電源斷開，利用其反電動勢，令繞組電流反向流通可以輸出負(fù)力矩；當(dāng) 飛輪轉(zhuǎn)速比較低時采用反接制動，當(dāng)某相繞組的反電動勢最低時令此相繞組導(dǎo)通，此時導(dǎo)
4通相反電動勢和導(dǎo)通相電流的方向相反，飛輪輸出負(fù)力矩。 當(dāng)磁懸浮反作用飛輪電機(jī)處于電動運行狀態(tài)時，數(shù)字信號處理器15根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、速度產(chǎn)生七路控制信號，其中一路控制信號P麗l用于控制降壓斬波調(diào)制開關(guān)管2的TV1，用于控制驅(qū)動電壓；一路控制信號P麗2用于控制能耗制動開關(guān)管7的TV2，使其處于關(guān)斷狀態(tài)；三路控制信號P麗3、 P麗4、 P麗5分別用于控制逆變電路9的三個開關(guān)管TV3、TV4、 TV5，實現(xiàn)電機(jī)換相，其控制頻率是由當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速確定；另外控制信號P麗X0用于控制調(diào)制脈動抑制電路10的開關(guān)管VTX0使其處于開通狀態(tài)；控制信號P麗X1用于控制調(diào)制脈動抑制電路10的開關(guān)管VTX1使其處于關(guān)斷狀態(tài)。首先降壓斬波開關(guān)管2接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗l將直流電源1電壓轉(zhuǎn)換為電機(jī)輸出力矩所需電壓，經(jīng)降壓斬波開關(guān)管2調(diào)制后的電壓存在較大的脈動；LC濾波電路3接收經(jīng)降壓斬波開關(guān)管2調(diào)制后的電壓，將調(diào)制后附著在調(diào)制后電壓上的高頻調(diào)制脈動信號濾除，產(chǎn)生電機(jī)繞組端電壓V1 ;數(shù)字信號處理器15根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置產(chǎn)生三路控制信號P麗3、P麗4、P麗5分別用于控制逆變電路9的三個開關(guān)管TV3、TV4、TV5。在電機(jī)繞組端電壓V1的作用下，電流由導(dǎo)通相開關(guān)管通過電機(jī)繞組8與電動通路11流回直流電源1。在電機(jī)電動過程中只有斬波調(diào)制開關(guān)管2處于調(diào)制狀態(tài)，其調(diào)制脈動由LC濾波電路3濾除。 當(dāng)磁懸浮反作用飛輪電機(jī)進(jìn)行制動時，電機(jī)接收姿態(tài)控制信號由高轉(zhuǎn)速開始降速。此時，可以利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動勢進(jìn)行能耗制動。能耗制動時，控制降壓斬波開關(guān)管2處于關(guān)斷狀態(tài)，在飛輪電機(jī)繞組反電動勢最高相的作用下V1為正電壓，其電壓值為飛輪電機(jī)繞組反電動勢最高相的反電動勢值，在此反電動勢的作用下，電流反向流通(設(shè)定電動狀態(tài)下電流流向為正向)。電流通過能耗制動電阻5、能耗制動續(xù)流回路的電感L2、能耗制動開關(guān)管7、電動通路11的二極管VD7 (或反接制動通路12的二極管VD8、電阻R4、二極管VD6)、逆變電路9導(dǎo)通相二極管組成導(dǎo)通回路。其電流值大小通過調(diào)節(jié)能耗制動開關(guān)管7的占空比實現(xiàn)。在能耗制動開關(guān)管7關(guān)斷時刻通過能耗制動續(xù)流回路6的電感可以平滑能耗制動調(diào)制電流脈動。 當(dāng)磁懸浮反作用飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速降到比較低時，由能耗制動切換到反接制動狀態(tài)。為了防止產(chǎn)生環(huán)流要控制飛輪電機(jī)繞組端電壓V1使其大于反接制動階段的最大反電動勢。此電壓值可以通過控制降壓斬波開關(guān)管2的調(diào)制占空比實現(xiàn)。飛輪電機(jī)繞組電流的大小通過逆變電路9的開關(guān)管TV3， TV4， TV5的調(diào)制占空比實現(xiàn)，逆變電路9的開關(guān)管TV3，TV4， TV5分別接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗3， P麗4， P麗5，使其既進(jìn)行換相控制又進(jìn)行調(diào)制。能耗制動開關(guān)管7的TV2處于關(guān)斷狀態(tài)；電動通路11開關(guān)管VTX0接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗X0處于關(guān)斷狀態(tài)；反接制動通路12開關(guān)管VTX1接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗X1處于開通狀態(tài)。降壓斬波開關(guān)管2接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗l將直流電源1電壓轉(zhuǎn)換為電機(jī)輸出力矩所需電壓；在電機(jī)繞組端電壓VI的作用下，導(dǎo)通相電樞繞組電流通過反接制動續(xù)流回路13、反接制動開關(guān)管14流回直流電源1。在電機(jī)反接制動過程中斬波調(diào)制開關(guān)管2的TV1和逆變電路9導(dǎo)通相開關(guān)管處于調(diào)制狀態(tài)，其調(diào)制脈動分別由LC濾波電路3和反接制動續(xù)流回路13的電感濾除。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(l)采用由能耗制動電感1^，電阻&，二極管VD2組成的能耗制動續(xù)流回路，可有效抑制電機(jī)能耗制動中的轉(zhuǎn)矩脈動。(2)采用由反接制動續(xù)流回路與反接制動開關(guān)管組成的反接制動通路，有效抑制電機(jī)反接制動中的轉(zhuǎn)矩脈動，提高了飛輪系統(tǒng)控制特性并降低飛輪振動，保證飛輪使用壽命和驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。


圖1為本發(fā)明的磁懸浮反作用飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法實現(xiàn)電路圖；
圖2為本發(fā)明的三相永磁無刷直流電機(jī)及控制電路主電路圖；
圖3為本發(fā)明的采用BUCK變換器的電機(jī)控制電路圖；
圖4為本發(fā)明控制算法流程圖。
具體實施例方式
磁懸浮反作用飛輪根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)控制信號的要求分別進(jìn)行電動運行和制動運行 控制。磁懸浮反作用飛輪控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由數(shù)字信號處理器15、隔離驅(qū)動功 率放大電路18、轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置19和電機(jī)本體20組成。其中轉(zhuǎn)矩脈動抑制電路19各部 分的連接關(guān)系如圖l所示。 直流電源1連接到降壓斬波調(diào)制開關(guān)管2的集電極，降壓斬波調(diào)制開關(guān)管2的基 極觸發(fā)信號由數(shù)字信號處理器15產(chǎn)生，用于控制降壓斬波調(diào)制開關(guān)管2的開通與關(guān)斷，對 直流電源1的電壓進(jìn)行調(diào)制；LC濾波電路3連接到降壓斬波調(diào)制開關(guān)管2的發(fā)射極用于接 收經(jīng)降壓斬波開關(guān)管2調(diào)制后的電壓，濾除附著在調(diào)制后電壓上的噪聲及高頻信號；能耗 制動電路4與LC濾波電路3和電機(jī)繞組8連接，用于調(diào)節(jié)能耗制動電流；電機(jī)繞組8接收 經(jīng)LC濾波電路3濾波后的電壓并在逆變電路9的作用下控制電機(jī)運行；逆變電路9與電機(jī) 繞組8連接用于接收由數(shù)字信號處理器15產(chǎn)生的換相信號；調(diào)制脈動抑制電路10與逆變 電路9連接，接收由數(shù)字信號處理器15產(chǎn)生的脈動抑制控制信號。 能耗制動電路4由能耗制動電阻5、能耗制動續(xù)流回路6和能耗制動開關(guān)管7組 成，其中能耗制動續(xù)流回路6 —端與能耗制動電阻5相連接，另一端與能耗制動開關(guān)管7相 連接。 調(diào)制脈動抑制電路10由電動通路11和反接制動通路12組成，電動通路11和反接 制動通路12同時與逆變電路9的三個換相開關(guān)管的發(fā)射極相連，在電機(jī)電動運行過程中， 逆變電路9與電動通路11組成電流導(dǎo)通電路；在電機(jī)反接制動過程中，逆變電路9與反接 制動通路12組成電流導(dǎo)通電路。 反接制動通路12由反接制動續(xù)流回路13與反接制動開關(guān)管14組成，其中反接制 動續(xù)流回路13上端與逆變電路9的三個換相開關(guān)管的發(fā)射極相連，下端與反接制動開關(guān)管 14的集電極相連接；反接制動開關(guān)管14的基極與數(shù)字信號處理器15相連接，接收由數(shù)字 信號處理器15產(chǎn)生的脈動抑制控制信號，反接制動開關(guān)管14的發(fā)射極接地。
當(dāng)磁懸浮反作用飛輪電機(jī)處于電動運行狀態(tài)時，數(shù)字信號處理器15根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn) 子的位置、速度產(chǎn)生七路控制信號，其中三路控制信號P麗3、P麗4、P麗5分別用于控制逆變 電路9的三個開關(guān)管TV3、TV4、TV5，實現(xiàn)電機(jī)換相，其控制頻率是由當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速確定；一 路控制信號P麗l用于控制降壓斬波調(diào)制開關(guān)管2的TV1，用于控制驅(qū)動電壓，其控制頻率 為lKHz 100KHz ;—路控制信號P麗2用于控制能耗制動開關(guān)管7的TV2，使其處于關(guān)斷狀 態(tài)；電動通路11開關(guān)管VTX0接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗X0處于開通狀態(tài)；反 接制動通路12開關(guān)管VTX1接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗X1處于關(guān)斷狀態(tài)。首先降壓斬波開關(guān)管2接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗l將直流電源1電壓轉(zhuǎn)換為電 機(jī)輸出力矩所需電壓，經(jīng)降壓斬波開關(guān)管調(diào)制后的電壓存在較大的脈動；LC濾波電路3接 收經(jīng)降壓斬波開關(guān)管2調(diào)制后的電壓，將調(diào)制后附著在調(diào)制后電壓上高頻調(diào)制脈動信號濾 除，產(chǎn)生電機(jī)繞組端電壓V1 ;數(shù)字信號處理器15根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置產(chǎn)生三路控制信號 P麗3、 P麗4、 P麗5分別用于控制逆變電路9的三個開關(guān)管TV3、 TV4、 TV5。在電機(jī)繞組端電 壓V1的作用下，導(dǎo)通相開關(guān)管通過電機(jī)繞組8和電動通路11流回直流電源1。在電機(jī)電動 過程中只有斬波調(diào)制開關(guān)管2處于調(diào)制狀態(tài)，其調(diào)制脈動由LC濾波電路3濾除。
當(dāng)磁懸浮反作用飛輪電機(jī)進(jìn)行制動時，電機(jī)接收姿態(tài)控制信號由高轉(zhuǎn)速開始降 速，首先進(jìn)行能耗制動。此時，降壓斬波開關(guān)管2處于關(guān)斷狀態(tài)，逆變電路9各開關(guān)管只進(jìn) 行換相控制不進(jìn)行調(diào)制，能耗制動開關(guān)管7接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗2，控制 繞組中的電流從而控制飛輪輸出力矩，數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗2的控制頻率與 P麗l相同。 電動通路11開關(guān)管VTX0接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗X0處于關(guān)斷狀 態(tài)；反接制動通路12開關(guān)管VTX1接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗X1也處于關(guān)斷狀 態(tài)。由于此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速非常高，其反電動勢值也非常高，電樞繞組中的電流反向流通，由 逆變電路9、能耗制動電路4、調(diào)制脈動抑制電路10的二極管VD7、VD8與其串聯(lián)電路組成回 路。在這一回路中只有能耗制動開關(guān)管7的TV2處于調(diào)制狀態(tài)，與其相串聯(lián)的能耗制動續(xù) 流回路6的電感可以平滑能耗制動調(diào)制電流脈動。 當(dāng)磁懸浮反作用飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速降到比較低時，由能耗制動切換到反接制動。其切 換轉(zhuǎn)速由反電動勢系數(shù)、控制的最大電流、回路電阻確定切換轉(zhuǎn)速=(控制的最大電流* 回路電阻)/反電動勢系數(shù)。為了防止產(chǎn)生環(huán)流要控制飛輪電機(jī)繞組端電壓V1使其大于 反接制動階段的最大反電動勢。此電壓值可以通過控制降壓斬波開關(guān)管2的調(diào)制占空比 實現(xiàn)。逆變電路9的開關(guān)管TV3， TV4， TV5分別接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗3， P麗4， P麗5，使其既進(jìn)行換相控制又進(jìn)行調(diào)制，以調(diào)節(jié)電機(jī)繞組中的電流從而控制磁懸浮反 作用飛輪電機(jī)輸出控制力矩，其調(diào)制的頻率與P麗l、 P麗2相同，換相的頻率由當(dāng)前磁懸浮 反作用飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速確定。能耗制動開關(guān)管7的TV2處于關(guān)斷狀態(tài)；電動通路11開關(guān)管 VTXO接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗XO處于關(guān)斷狀態(tài)；反接制動通路12開關(guān)管 VTX1接收數(shù)字信號處理器15的控制信號P麗X1處于開通狀態(tài)。降壓斬波開關(guān)管2接收數(shù) 字信號處理器15的控制信號P麗l將直流電源1電壓轉(zhuǎn)換為電機(jī)輸出力矩所需電壓；在電 機(jī)繞組端電壓V1的作用下，導(dǎo)通相電樞繞組電流通過調(diào)制脈動抑制電路10的反接制動續(xù) 流回路13、反接制動開關(guān)管14流回直流電源1。在電機(jī)反接制動過程中斬波調(diào)制開關(guān)管2 的TV1和逆變電路9導(dǎo)通相開關(guān)管處于調(diào)制狀態(tài)，其調(diào)制脈動分別由LC濾波電路3和反接 制動續(xù)流回路13的電感濾除。 磁懸浮飛輪可進(jìn)行正反向運行。兩種運行方向下只是控制飛輪的換相表不同而對 于抑制轉(zhuǎn)矩脈動方面幾乎沒有差別，下面以磁懸浮飛輪正向運行為例介紹轉(zhuǎn)矩脈動抑制的 算法流程圖。如圖4所示，控制系統(tǒng)的數(shù)字信號處理器15輸出的7路P麗控制信號P麗1、 P麗2、 P麗3、 P麗4、 P麗5、 P麗XO、 P麗X1 (高有效)，分別用于控制開關(guān)管TV1、 TV2、 TV3、 TV4、 TV5、 VTXO、 VTX1的通斷。當(dāng)飛輪收到力矩指令后不斷判斷力矩大小與方向，并將力矩指令 轉(zhuǎn)換為繞組電流指令。當(dāng)力矩指令為正力矩時，數(shù)字信號處理器15檢測繞組電流反饋值并將繞組電流指令值與反饋值比較，經(jīng)電流環(huán)PID運算得到電流環(huán)控制量，電流環(huán)控量調(diào)制 后生成P麗1信號，用于控制開關(guān)管TV1的通斷以控制飛輪輸出力矩；數(shù)字信號處理器15根 據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號通過查詢換相表得到換相控制信號P麗3、 P麗4、 P麗5用于控制逆變器開關(guān) 管TV3、TV4、TV5的通斷以驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)。在此過程中開關(guān)管TV2、VTX1處于關(guān)斷狀態(tài)，VTXO 處于開通狀態(tài)。此時，直流電源1、降壓斬波調(diào)制開關(guān)管2、LC濾波電路3、電機(jī)繞組8、逆變 電路9和電動通路11組成通路，P麗l調(diào)制產(chǎn)生的電流脈動由LC濾波電路3抑制。
當(dāng)控制指令為負(fù)力矩指令時，數(shù)字信號處理器15根據(jù)飛輪轉(zhuǎn)速反饋值確定飛輪 運行狀態(tài)，若飛輪轉(zhuǎn)速小于2000轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)進(jìn)行反接制動。數(shù)字信號處理器15檢測繞組 電流反饋值與轉(zhuǎn)子位置信號，并將繞組電流指令值與反饋值比較，經(jīng)電流環(huán)PID運算得到 電流環(huán)控制量，電流環(huán)控量調(diào)制后生成P麗3、 P麗4、 P麗5信號用于控制逆變器開關(guān)管TV3、 TV4、 TV5的通斷以驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)和輸出控制力矩；數(shù)字信號處理器15將繞組端電壓給定 值與反饋值比較，經(jīng)電壓環(huán)PID運算得到電壓環(huán)控制量，電壓環(huán)控制量調(diào)制后生成P麗l信 號，用于控制開關(guān)管TV1的通斷以輸出恒定繞組端電壓進(jìn)而防止產(chǎn)生環(huán)流；在此過程中，開 關(guān)管TV2、 VTX0處于關(guān)斷狀態(tài)，VTX1處于開通狀態(tài)。此時，直流電源1、降壓斬波調(diào)制開關(guān) 管2、LC濾波電路3、電機(jī)繞組8、逆變電路9和反接制動通路12組成通路。由P麗1，P麗3、 P麗4、 P麗5調(diào)制產(chǎn)生的電流脈動由調(diào)制脈動分別由LC濾波電路3和反接制動續(xù)流回路13 的電感濾除。 如果此時飛輪轉(zhuǎn)速大于2000控制系統(tǒng)進(jìn)行能耗制動，數(shù)字信號處理器15檢測繞 組電流反饋值，并將繞組電流指令值與反饋值比較，經(jīng)電流環(huán)PID運算得到電流環(huán)控制量， 電流環(huán)控量調(diào)制后生成P麗2信號，用于控制開關(guān)管TV2的通斷以控制飛輪輸出力矩；數(shù)字 信號處理器15根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號通過查詢換相表得到換相控制信號P麗3、P麗4、P麗5用于 控制逆變器開關(guān)管TV3、 TV4、 TV5的通斷以驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)。在此過程中，開關(guān)管TV1、 VTX0、 VTX1處于關(guān)斷狀態(tài)。此時，由電機(jī)繞組8、能耗制動電路4、電動通路ll(或反接制動通路 12)的反向二極管、逆變電路9的反向二極管組成通路。由P麗2調(diào)制產(chǎn)生的電流脈動由能 耗制動續(xù)流回路6的電感可以平滑。 其中能耗制動電阻5大小的選取是根據(jù)磁懸浮反作用飛輪的反電動勢與控制電 流的大小確定。能耗制動電阻值為反電動勢值/控制的電流值。能耗制動續(xù)流回路6中的 能耗制動續(xù)流電感L2選取的范圍為luH 100uH，電阻R2的范圍為0. 1 Q 1 Q ， 二極管 VD2可選為IN4148或IN5819，可以滿足要求。 其中電動通路ll的電阻1 3的選取原則與1 2相同，反接制動通路12的電感1^，電 阻R4， 二極管VD6的選取原則與能耗制動續(xù)流回路6的電感L2，電阻R2與二極管VD2相同。
由于本磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)為一般電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其它未經(jīng)說明 的部分為一般工程常識。
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權(quán)利要求
一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置包括直流電源(1)、降壓斬波調(diào)制開關(guān)管(2)、LC濾波電路(3)、電機(jī)繞組(8)、逆變電路(9)、數(shù)字信號處理器(15)，其特征在于還包括能耗制動電路(4)和調(diào)制脈動抑制電路(10)，其中直流電源(1)與降壓斬波調(diào)制開關(guān)管(2)的集電極相連，降壓斬波調(diào)制開關(guān)管(2)的基極觸發(fā)信號由數(shù)字信號處理器(15)產(chǎn)生，用于控制降壓斬波調(diào)制開關(guān)管(2)的開通與關(guān)斷，對直流電源(1)的電壓進(jìn)行調(diào)制；降壓斬波調(diào)制開關(guān)管(2)的發(fā)射極與LC濾波電路(3)相連，LC濾波電路(3)用于接收經(jīng)降壓斬波開關(guān)管(2)調(diào)制后的電壓，濾除附著在調(diào)制后電壓上的噪聲及高頻信號；能耗制動電路(4)與LC濾波電路(3)和電機(jī)繞組(8)連接，通過調(diào)節(jié)能耗制動開關(guān)管(7)來調(diào)節(jié)能耗制動電流；電機(jī)繞組(8)接收經(jīng)LC濾波電路(3)濾波后的電壓并在逆變電路(9)的作用下控制電機(jī)運行；逆變電路(9)與電機(jī)繞組(8)相連用于接收由數(shù)字信號處理器(15)產(chǎn)生的換相信號；調(diào)制脈動抑制電路(10)與逆變電路(9)相連，接收由數(shù)字信號處理器(15)產(chǎn)生的脈動抑制控制信號；數(shù)字信號處理器(15)產(chǎn)生七路控制信號，第一路與降壓斬波調(diào)制開關(guān)管(2)的基極相連，第二路與能耗制動開關(guān)管(7)的基極相連，第三、四、五路與逆變電路(9)相連，第六、七路與調(diào)制脈動抑制電路(10)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置，其特征 在于所述的能耗制動電路(4)由能耗制動電阻(5)、能耗制動續(xù)流回路(6)和能耗制動開 關(guān)管(7)組成，其中能耗制動續(xù)流回路(6) —端與能耗制動電阻(5)相連，另一端與能耗制 動開關(guān)管(7)相連，能耗制動續(xù)流回路(6)由能耗制動電感1^，電阻R2，二極管VD2組成，能 耗制動電感1^一端與能耗制動電阻(5)相連，另一端與能耗制動開關(guān)管(7)的集電極相連； 電阻R2—端與二極管V^正極相連，另一端與能耗制動開關(guān)管(7)的集電極相連；二極管 VD2正極一端與電阻相連另一端與能耗制動電阻(5)相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置，其特征 在于所述的調(diào)制脈動抑制電路(10)由電動通路(11)和反接制動通路(12)組成，電動通 路(11)和反接制動通路(12)同時與逆變電路(9)的三個換相開關(guān)管的發(fā)射極相連，電動 通路(11)由電阻R3，開關(guān)管VTX0，二極管VD7組成，電阻R3上端與逆變電路(9)的三個換相 開關(guān)管的發(fā)射極相連，下端與開關(guān)管VTXO集電極相連；開關(guān)管VTXO的集電極與電阻1 3相 連，基極與數(shù)字信號處理器(15)相連，發(fā)射極一端與能耗制動開關(guān)管(7)的發(fā)射極相連；二 極管VD7 —端與開關(guān)管VTXO集電極相連，另一端與開關(guān)管VTX0發(fā)射極相連，在電機(jī)電動運 行過程中，電動通路(11)與逆變電路(9)組成電流導(dǎo)通電路；反接制動通路(12)由反接制 動續(xù)流回路(13)與反接制動開關(guān)管(14)組成，其中反接制動續(xù)流回路(13)上端與逆變電 路(9)的三個換相開關(guān)管的發(fā)射極相連，下端與反接制動開關(guān)管(14)的集電極相連接；反 接制動開關(guān)管(14)的基極與數(shù)字信號處理器(15)相連接，接收由數(shù)字信號處理器(15)產(chǎn) 生的脈動抑制控制信號，反接制動開關(guān)管(14)的發(fā)射極接地。在電機(jī)反接制動過程中，反 接制動通路(12)與逆變電路(9)組成電流導(dǎo)通電路。
全文摘要
一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置，用于衛(wèi)星的高精度姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)——磁懸浮反作用飛輪用三相永磁無刷直流電機(jī)的控制，該裝置主要包括直流電源、降壓斬波調(diào)制開關(guān)管、LC濾波電路、能耗制動電路、電機(jī)繞組、逆變電路、調(diào)制脈動抑制電路、數(shù)字信號處理器。本發(fā)明通過一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動抑制裝置，可以有效的抑制磁懸浮反作用飛輪電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩脈動，從而保證飛輪輸出平穩(wěn)的力矩。
文檔編號H02P6/10GK101694979SQ20091023613
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日
發(fā)明者劉剛, 周新秀, 房建成, 王志強(qiáng) 申請人:北京航空航天大學(xué);