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| 高速无刷直流电机的快速锁相控制方法（zxj） |
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摘要：作为航天器姿态控制的关键执行机构，控制力矩陀螺(cMG)转了的稳速精度是决定其输出力矩精度的重要因素之一，高速电机通常采用锁相环技术实现高精转速，但电机驱动电流的饱和非线性大幅度延长了锁相跟踪收敛时“口J和扰动恢复时间，严重影响稳速精度。本文建立r包含驱动饱和特性的高速无刷直流电机锁相控制系统模型，采用相平面法分析稳定性和跟踪时问，提出基于串联PD校正的快速锁相控制方法，钊对泼方法进行了仿真分析，锁相跟踪时间减少了90％，而且不会影响系统稳定性。仿真和实验结果验证了该力法的正确性和有效件。
关键词：无刷直流电机；锁相环控制；非线性0 引 言控制力矩陀螺(cMG)是空间站等大型航天器实现姿态控制的关键执行机构，由于其具有大力矩、长寿命、高精度、低功耗的优点，在航天控制应用领域引起_广广泛的关注，自上个世纪60年代以来已在国内外一系列大型航天器上得到广泛的应用。
高速驱动电机是cMG的重要组成部分，用r驱动转子稳定在一个额定转速，其转速稳定精度赢接影响cMG的输出力矩精度。
锁相环是目前最常用的相位同步方法，广泛用于微波通信和机械控制领域”0。其利用获得的相位信息与参考输入进行比较．进而控制系统输出，达到相位跟踪与锁定。为了实现CMG转子的高精度转速控制，锁相环控制是****选择。与其它控制方式相比，电机锁相环具有很强的相位分辨能力，很高的转速控制精度，满足高精度力矩输出的要求；另外高速电机负载力矩小，这个特点刚好弥补了锁相环抗扰性差的不足。 由于cMG的高速电机绕组电感较小，****通过电流有上限；在高速工作时反电势较高，对三相全桥的驱动结构来说此时反向通电绕组会产生很大电流，极易损坏定子，这样就无法输出负力矩，因此通过锁相环控制计算出的指令力矩在实际控制输出中并不能达到，这相当于在控制环路中引入一个类似饱和特性的非线性环节。一般电机锁相环控制必须经历相当长的时间才能达到所需的稳速精度，而日收敛时间随着转子转动惯量增大而增加，引入非线性结构之后输出力矩存在饱和，这种情况将更严重。快速锁相跟踪往往与稳定度是不可兼顾的，实际设计中需权衡选择。
对无刷直流电机非线性特性的分析，文献[3]
使用了描述函数法，将正弦信号作用下的输出用一次谐波来近似，由此导山非线性环节的近似等效频率特性，。邑不受系统阶次的影响，一般用来分析无外作用的情况下系统的稳定性和自振荡问题，但只能研究系统的频率响应，不能解出时域特性。文献[4]围绕反馈控制这一目的，使用逆系统法并应用数学工具直接研究非线性控制问题，但需求解伪线性系统，这将增加很大的计算量。相平面法通过图解将一阶和二阶系统的运动过程转化为位置和速度平面上的轨迹，从而比较直观准确地反映系统的稳定性、平衡状态及初始条件对系统运动的影响。相轨迹绘制步骤简单、计算量小，适合分析常见的一二阶系统。本文采用这种方法建立锁相环非线性控制的模型，分析了不同初始条件和控制参数下的动态响应特性。
1含非线性环节锁相环模型基本的锁相环包括三个环节(如图l所示)，鉴频鉴相器(PFD)、环路滤波器(I。F)、压控振荡器(VcO)，它是通过将反馈信号与输入信号进行混频，得到一个调幅的高频信号，当它们的频率很接近时，频差信息不会被滤除，即通过相位差来控制整个环路稳定‘“．由于锁相环可以将频率误差控制得非常小，因而町以朋于控制电机转速，可以得到极其精确的转速控制。与一般的锁相环结构类似，如图2所示，电机的锁相环控制也包含三个部分，只是压控振荡器已被电机本体代替川。
但在控制力矩陀螺中的高速无刷直流电机，为了减小涡流损耗，定子线圈的电阻和电感做的很小，基本E呈现阻性。高速情况下反电势很高，此时不能通过反转输出反向力矩；同时通过绕组的电流也有上限，冈此输出****力矩也存在****值。这样通过锁相环计算出的电流指令并不能通过驱动电路得到相应的输出，而是存在一个非线性的环节。
包禽电流限制的锁相环模型如同3所示。输入相位日。(s)与反馈相位日。(s)的差值日。(s)经过滤波器F(s)得到不含调制的相差信息，将此信号折算成电流值用于驱动电机。
由于电机是一个一阶惯性系统，其锁相环控制至少是二阶。取******的情况，滤波函数只包含比例环节F(s)=K，此时输出有恒定的静态相差，但速度稳定。假设开始时系统正要入锁，初始相差口，(0)=0，初始速度差且初始转速在锁相环的捕获带内，则描述系统的微分方程为2快速锁相稳定方法然而由于控制力矩陀螺的驱动电机负载阻力很小，以使稳定点落在相平面的Ⅱ区内，但同时也造成系统收敛慢，因此必须在滤波器，(s)中增加微分项以加快收敛。
但微分会对系统稳定性，主要是对快捕带(LockRange)大小产生影响。在电机控制中，可以认为是进入跟踪状态的初始速度差范围。
图4显示正弦鉴相器的锁相环人锁过程中的相图曲线。当相位误差接近饱和时，频差必需足够小才能收敛到平衡点，否则输出信号将沿图中分界线之外的曲线滑动，直至有外力将其牵引至快捕带内．式中第二项包含相差信息，应保证其通过环路时不被滤除，即满足条件同时。，。为鉴相器谐振点，频差大于此值时转速将会失锁或者进入捕获过程，在快捕过程巾应避免频差通过这个频率点，即还要满足图6分别是有无微分情况下的开环系统l”de图，实际设计时可以通过调整k、kd使得截止频率这样快捕带△ω=ωm从图6中可以看到增加微分项使得相位超前，稳定裕度得到提高，一定程度上增宽了快捕带(L0ck Range)，但实际中由于较大的转动惯最使得快捕带本身已经很窄，相位超前增加的带宽幅度非常有限。而且过大的微分系数会增加开环增益，从而减小捕获带(Pull-inRange)，对稳定性不利。 |
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