大惯量飞轮四象限力矩控制关键技术研究

    周兆勇¹，孔翔¹，漆亚梅¹，李铁才²，李长中¹

(1深圳航天科技创新研究院，广东深圳518057；2哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

摘要：针对大惯量反作用飞轮系统中的关键技术进行了研究，提出了一套基于数字IP内核集成的硬件实现方案，可以解决飞轮控制中普遍存在的一些问题。设计r一种可以在O～100％占空比范嗣内运行的单极性PwM斩波控制技术，包括功率主回路拓扑结构及其相应的栅极驱动方法，并开发了可以采样三相绕组电流的磁感应式电流传感器；分析了泵生电雎的产生机理，并以此为基础设计了自动抑制电路；给出了实现飞轮力矩伺服控制算法的系统级AsIc结构。实验结果表明，该飞轮系统在整个四象限区域内均具有良好的动态和静态力矩控制性能。

    关键词：飞轮；四象限力矩控制；单极性脉宽调制；泵生电压

    中图分类号：TM33  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2010)05—0037—05

0引  言

    在航天飞行器姿态控制系统中，反作用飞轮是其中最核心的元部件之一。反作用飞轮按照一定的方式安装在卫星或其它航天器载体的惯性轴上，通过对飞轮转子进行加速或制动控制来改变飞轮角动量(即动量矩)的大小或者方向，从而在载体上产生反作用力矩，达到姿态控制的目的[1]。由于飞轮转动惯量很大，在加速过程中会产生大量的动能，因此当系统切换到制动状态时，如何精确、平稳地控制其输出力矩并保证整个系统的可靠运行是一个比较关键的问题。

    现代反作用飞轮系统主要由五个部分组成，即壳体部件、飞轮、无刷直流电动机、轴承组件和控制电路，其中电动机的定子采用无槽无铁心结构，电机转子和飞轮为一体。飞轮力矩伺服系统是以无刷直流电动机为控制对象的，其实质上是一个电流闭环控制系统，因此电流反馈采样的好坏会直接影响到系统的整体性能。另外，无刷直流电动机的控制策略是和功率逆变回路的具体结构分不开的，不同的逆变器结构，其控制策略也不尽相同，同时其电流检测及泵生电压抑制措施可能电会有所差异。因此，如何选择功率主回路结构成为设计飞轮力矩伺服系统所面临的首要任务。

    本文针对上述几项关键技术提出了一种基于IP(知识产权)内核数字集成技术的硬件设计方案，解决了传统飞轮控制中存在的一些问题，如力矩突变等，在加速或减速过程中均能获得较高的力矩控制性能，并且可以在零动量附近运行。

1功率驱动回路分析与设计  

    方波无刷直流电动机的驱动控制技术包括多种类型，目前国内外应用较多的有PAM调制、PWM调制或PAM／PwM混合调制三种基本方案。PAM调制是指仅通过调节直流母线电压来达到控制电机绕组电流的目的，实质上是一种BucK电路；PAM／PwM混合调制技术则是对PAM的一种改进和补充，当电机处于加速过程时仅PAM起作用，当需要制动(或减速)时既进行PAM调制同时又进行PwM调制，以提高制动过程中的力矩性能[2]。为了进行四象限力矩控制，PAM技术一般需要使用三相全桥结构进行换相驱动，其优点是电流纹波小，可以通过在直流母线上加采样电阻的方法完成电流检测。但该电路方案比较复杂，且容易引入非线性因素，降低了控制系统的稳定裕度，要想获得接近于零动量的稳定运行状态是比较困难的，尤其是当电机转速反向过零瞬间会产生比较大的力矩跳变；另外在直流母线上间接检测绕组电流还会受到不可控内环流的影响[3]，同样会引起力矩波动，使得控制性能变坏。PwM是一种线性调制技术，电路结构相对简单，但对于小电感电机来说，低速运行时的绕组电流纹波比较大，如果此时采用的是单极性调制模式，则电流还会出现断续现象，因而无法在直流母线上进行电流采样。除此之外，为了保证卫星等航天器的长可靠工作，飞轮无刷直流电动机的功率主回路一般使用半桥结构，而不是工业上应用比较普遍的H桥或全桥结构，以免发生短路现象。但这种半桥结构的功率回路只能通过单向绕组电流，如果要获得四象限转速力矩杵陛，必须在换相逻辑上设计专用电路。

    因此，为了解决以上存在的各种问题，现提出一种新的三相电机驱动控制方案，如图l所示。该方

案是一个单极性的线性PwM系统，不会引入非线性因素，同时直接从绕组中采样电流，避免了内环流的干扰，还可以实现100％电压占空比运行。图1仅画出了其中某一相的电路结