高精度反作用飞轮的驱动与控制

    王其君^1,2，黎海文¹，吴一辉¹，黄敦新^1,2

(1中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；2中国科学院研究生院，北京100049)

    摘要：分析了飞轮运行的两种模式，表明力矩模式具有控制方便、精度高的优点：在此基础上提出了飞轮驱动和控制方式和系统的具体实现，实验表明，这种驱动和控制的方式，具有精度高、控制方便和效率高等优点。

    关键词：反作用飞轮；驱动电路；控制

    中图分类号：TM33  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)01—0050—03

O引  言

    反作用飞轮作为三轴稳定航天器姿态控制的执行机构，相比于其它执行机构，它具有控制精度高、寿命长等特点。它作为控制系统的一个执行环节，有两种基本的工作模式^[1]。一种是要求飞轮的转速与其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，称为速度工作模式。另一种是要求飞轮的反作用力矩与其输入控制信号成比例关系，称为力矩工作模式。

    飞轮速度控制模式的优点是轴承摩擦等各种扰动力矩是内力，其影响可通过闭环控制作用得到抑制；缺点是需要增加高精度的测速装置，在实际应用的飞轮装置往往不单独设置高精度的测速传感器^[1]，而利用驱动飞轮的无刷直流电动机的换相脉冲实现测速。由于电机换相脉冲数受到限制，要实现高精度的转速测定是很困难的，特别是在低速情况下准确测量转速更加困难。飞轮力矩控制的优点是控制简单，控制信号直接对应力矩，实现对各种干扰的抵消和对卫星姿态的控制；缺点是飞轮电机的电磁输出力矩和轴承摩擦等各种扰动力矩共同作用在卫星上，使输出力矩与控制信号偏离规定的比例。飞轮的转动惯量比星体转动惯量小得多，并且轴承摩擦力矩比较小，因此对飞轮的转速进行控制必要性不大。如果在力矩模式的基础上加上轴承摩擦力矩补偿^[2]，那么力矩模式的性能会更好。因此，本文主要研究高精度力矩模式反作用轮的驱动和控制。

1驱动电路

    反作用飞轮是由无刷直流电动机和大惯量的轮子组成，因此研究反作用飞轮的驱动电路其实就是研究无刷直流电动机的驱动电路。现在广泛使用的飞轮和无刷直流电动机驱动电路主要有PAM模式半桥驱动电路^[3]，如图1所示；PwM模式全桥驱动

电路^[4]，如图2所示。PAM模式半桥驱动电路具有驱动方式简单、可靠性高等优点，但是，这种驱动方式在电机换相时没有二极管续流回路，对功率管冲击较大；每一个时刻只有一相绕组通电，电机效率低。PwM模式驱动电路具有效率高的优点，但是，它是通过调节占空比来调节绕组上的电流。在电流小的时候，占空比较小，电流波动大，取电流作为反馈量时，较大的纹波使系统性能变差，同时这种方式电流检测麻烦，需要使用电流传感器，电流传感器体积大，难以在空间装置中采用^[5]。针对上面两种驱动电路的各有优缺点，需要找到一种驱动电机效率高、电机力矩波动小、电流采样方便的驱动电路。综合考虑采用PAM全桥驱动电路，如图3所示，电机的转矩波动是影响电机控制精度的重要环节，转矩波动分为换相转矩波动和非换相转矩波动，其中换相转矩波动占主要因素。PAM全桥驱动电路换相期间转矩波动分析如下：

  换相时，存在两种情况，一是三相桥两个上桥臂之间换流；二是两个下桥臂之间换流。由于这两种方式是对称的，下面用上桥臂之间换流进行分析，假设A相退出，B相开通，T_l关断,13导通(如图3所示)。由于换相时间很短，近似认为A相反电动势为E，B相反电动势为E，c相反电动势为一E，列出此时的电路方程为：

    由以上分析可知，只要保证非换相电流i_c保持不变的情况下，电磁转矩不变，电磁转矩不发生转矩波动，也即是要保证A相电流的下降速率和B相电流的上升速率一样。由式(1)一式(4)可以得到：