專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星、空間站等大型航天器高精度、高穩(wěn)定度姿態(tài)控制。
背景技術(shù)：
大型航天器的高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術(shù)是航天器系統(tǒng)和控制技術(shù)需要重點(diǎn)突破的五大技術(shù)瓶頸之一。磁懸浮控制力矩陀螺作為航天器姿態(tài)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有較大輸出力矩的能力，控制特性線性度好，并具有很強(qiáng)的抗干擾性和很快響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際上已得到廣泛應(yīng)用，并且已經(jīng)成為長(zhǎng)壽命大型航天器首選的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
控制力矩陀螺系統(tǒng)通過(guò)控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，改變角動(dòng)量的大小來(lái)產(chǎn)生所需的控制力矩，從而精確地控制空間飛行器的姿態(tài)。提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制精度一直是控制力矩陀螺系統(tǒng)研制所追求的目標(biāo)。
為了實(shí)現(xiàn)高精度的姿態(tài)控制，要求高速永磁無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)具有0.1％以上的速度穩(wěn)定精度，PI控制，理論上由于存在積分環(huán)節(jié)，也應(yīng)是無(wú)差系統(tǒng)，但它是將速度作為控制信號(hào)，現(xiàn)有的測(cè)速方法均存在系統(tǒng)誤差，從而限制了控制的精度。而鎖相技術(shù)在高精度高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)速度控制方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)和參考頻率信號(hào)同步時(shí)，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精度可達(dá)0.02％～0.1％，這是常規(guī)的調(diào)速系統(tǒng)所不具備的；鎖相調(diào)速系統(tǒng)可以獲得高穩(wěn)態(tài)精度的根本原因在于鎖相環(huán)路是將相位作為控制信號(hào)，能夠準(zhǔn)確的傳遞相位信息。
現(xiàn)有的鎖相控制的鑒相環(huán)節(jié)都是采用模擬電路、模數(shù)混合電路、數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得改善動(dòng)態(tài)性能和提高抗干擾能力的先進(jìn)算法無(wú)法應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)穩(wěn)速精度低的不足，提供一種磁懸浮控制力矩陀螺用高速永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于包括鎖相環(huán)速度控制器、數(shù)字低通濾波器、功率放大器、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器，鎖相環(huán)速度控制器產(chǎn)生速度誤差、速度積分誤差和速度重積分誤差三種誤差，再將這三種誤差相加后提供給數(shù)字低通濾波，由其濾除高頻噪聲后的輸出信號(hào)作為功率放大器的輸入信號(hào)，功率放大器由換向邏輯和PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和調(diào)速，在永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)速過(guò)程中，霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)輸出的位置信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)分別用于換向和為鎖相環(huán)速度控制器提供轉(zhuǎn)速反饋。
所述的鎖相穩(wěn)速數(shù)字控制器由DSP、存儲(chǔ)器、數(shù)字I/O模塊、捕獲單元模塊、PWM波形發(fā)生模塊組成，數(shù)字I/O模塊和捕獲單元模塊對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)進(jìn)行捕獲，經(jīng)運(yùn)算和修正作為鎖相穩(wěn)速控制器的速度反饋信號(hào)，并與速度參考信號(hào)相減得到鎖相控制器的輸入信號(hào)，鎖相算法經(jīng)DSP運(yùn)算后的輸出量，經(jīng)數(shù)字低通濾波器和功率放大器生成速度控制量，與PWM波形發(fā)生模塊的比較寄存器的值進(jìn)行比較生成PWM波形，通過(guò)改變PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并結(jié)合轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行換向。
本發(fā)明的原理是電動(dòng)機(jī)速度控制中應(yīng)用的鎖相環(huán)與通訊中應(yīng)用的鎖相環(huán)之間存在著本質(zhì)的差別。在電動(dòng)機(jī)控制中，電動(dòng)機(jī)-測(cè)速器可以被看作是帶有慣性的電壓控制振蕩器；在電動(dòng)機(jī)的鎖相環(huán)控制中，數(shù)字積分器是將速度的頻差進(jìn)行積分用以生成控制量和檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的頻率鎖定。頻率鎖定后重積分環(huán)節(jié)開(kāi)始起作用，進(jìn)行相位鎖定。相位鎖定并不是要求轉(zhuǎn)速的給定與反饋信號(hào)完全同相，而是當(dāng)兩信號(hào)之間的相位差恒定即是完成了相位鎖定；在工程應(yīng)用中，常常需要設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)慣性負(fù)載不敏感的速度控制鎖相環(huán)路，在不必去調(diào)整任何參數(shù)的情況下，系統(tǒng)都?jí)蚍€(wěn)定的工作；本發(fā)明對(duì)磁懸浮控制力矩陀螺用高速永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)采用頻域設(shè)計(jì)方法，相位裕量應(yīng)在40°～75°之間，并且其值的大小取決于所允許的超調(diào)量的大小；圖1給出了用于分析的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)鎖相控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)中產(chǎn)生三種誤差信號(hào)速度誤差、速度積分誤差和速度重積分誤差，將它們相加后經(jīng)過(guò)低通濾波和功率放大后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，再通過(guò)霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器構(gòu)成反饋。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于鎖相調(diào)速在穩(wěn)態(tài)精度方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以獲得高穩(wěn)態(tài)精度的根本原因在于鎖相環(huán)路是將相位作為控制信號(hào)，傳遞相位信息的霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器只存在瞬時(shí)的相位抖動(dòng)，每周的平均誤差為0，能夠準(zhǔn)確的傳遞相位信息，由于相位是轉(zhuǎn)速的積分，對(duì)于轉(zhuǎn)速階躍，即使穩(wěn)態(tài)相位存在誤差，對(duì)于速度而言也是無(wú)差的。PI控制，理論上由于存在積分環(huán)節(jié)，也應(yīng)是無(wú)差系統(tǒng)，但它是將速度作為控制信號(hào)，現(xiàn)有的測(cè)速方法均存在系統(tǒng)誤差，從而限制了控制的精度。


圖1為本發(fā)明的高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)鎖相速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的高速永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)鎖相控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明的高速永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)鎖相控制系統(tǒng)控制器原理示意圖；圖4為本發(fā)明的鎖相控制算法流程圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1，本發(fā)明由使用數(shù)字信號(hào)處理器DSP實(shí)現(xiàn)的鎖相環(huán)速度控制器1、數(shù)字低通濾波器2、功率放大器3、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)4、霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器5組成，電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)速過(guò)程中，鎖相環(huán)速度控制器1將輸出的控制信號(hào)提供給數(shù)字低通濾波器2，濾除高頻噪聲后的輸出信號(hào)作為功率放大器3的輸入信號(hào)，功率放大器3由換向邏輯和PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)4進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和調(diào)速，在永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)4穩(wěn)速過(guò)程中，霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器5的輸出的位置信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)分別用于換向和為鎖相環(huán)速度控制器1提供轉(zhuǎn)速反饋。
如圖2所示，本發(fā)明的鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，假設(shè)磁懸浮控制力矩陀螺的高速無(wú)刷直流電機(jī)三相繞組對(duì)稱(chēng)，并忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=(kpGiτps+1+kis+τ1s+1τ2s2kφ)·kAτfs+1·KTJs+KD...(1)]]>公式(1)中，kP-是比例增益；Gi-壓頻轉(zhuǎn)換器增益；τP-壓頻轉(zhuǎn)換器濾波時(shí)間常數(shù)；ki-積分系數(shù)；τ1、τ2-重積分器的時(shí)間常數(shù)；kφ-重積分器的相位增益；τf-濾波時(shí)間常數(shù)；kA-功率放大增益；KT-轉(zhuǎn)矩常數(shù)；J-轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；KD-阻尼常數(shù)。
如圖3所示，本發(fā)明的鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)的控制器，它由CPU、存儲(chǔ)器、數(shù)字I/O、PWM模塊組成，數(shù)字I/O對(duì)來(lái)自霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器5的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測(cè)，第1路PWM到第6路PWM用于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)4控制和調(diào)速。
如圖4所示，本發(fā)明的鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)的鎖相控制算法，它首先初始化鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)的參數(shù)，檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算轉(zhuǎn)速差，然后計(jì)算單穩(wěn)態(tài)頻壓轉(zhuǎn)換器、積分器和重積分器的輸出量，將三個(gè)環(huán)節(jié)的輸出值求和，計(jì)算低通濾波器的輸出量，最后將低通濾波器的輸出量送給PWM模塊產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
權(quán)利要求
1.一種高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)，其特征在于包括鎖相環(huán)速度控制器(1)、數(shù)字低通濾波器(2)、功率放大器(3)、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(4)、霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器(5)，鎖相環(huán)速度控制器(1)產(chǎn)生速度誤差、速度積分誤差和速度重積分誤差三種誤差，再將這三種誤差相加后提供給數(shù)字低通濾波(2)，由其濾除高頻噪聲后的輸出信號(hào)作為功率放大器(3)的輸入信號(hào)，功率放大器(3)由換向邏輯和PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(4)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和調(diào)速，在永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(4)穩(wěn)速過(guò)程中，霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器(5)檢測(cè)輸出的位置信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)分別用于換向和為鎖相環(huán)速度控制器(1)提供轉(zhuǎn)速反饋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)，其特征在于所述的鎖相穩(wěn)速數(shù)字控制器(1)的硬件由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、存儲(chǔ)器、數(shù)字I/O模塊、捕獲單元模塊、PWM波形發(fā)生模塊組成，數(shù)字I/O模塊和捕獲單元模塊對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)進(jìn)行捕獲，經(jīng)運(yùn)算和修正作為鎖相穩(wěn)速控制器(1)的速度反饋信號(hào)，并與速度參考信號(hào)相減得到鎖相控制器(1)的輸入信號(hào)；鎖相算法經(jīng)DSP運(yùn)算后的輸出量，經(jīng)數(shù)字低通濾波器(2)和功率放大器(3)生成速度控制量，與PWM波形發(fā)生模塊的比較寄存器的值進(jìn)行比較生成PWM波形，通過(guò)改變PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并結(jié)合轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行換向。
全文摘要
一種高速永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)，可作為衛(wèi)星、空間站等航天器高精度姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高精度穩(wěn)速控制，它主要由鎖相環(huán)速度控制器、數(shù)字低通濾波器、功率放大器、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器組成，鎖相技術(shù)在高精度高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)速度控制方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)和參考頻率信號(hào)同步時(shí)，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精度可達(dá)0.02％～0.1％，這是常規(guī)的調(diào)速系統(tǒng)所不具備的。本發(fā)明通過(guò)低精度的霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得轉(zhuǎn)速反饋，實(shí)現(xiàn)了磁懸浮控制力矩陀螺用高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的高精度穩(wěn)速控制。
文檔編號(hào)H02P6/14GK1968002SQ20061011398
公開(kāi)日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2006年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月24日
發(fā)明者房建成, 王志強(qiáng), 劉剛, 李建科, 劉虎, 孫津濟(jì) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)