一種用于飛輪控制的滑模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于飛輪控制的滑模方法，通過建立基于開關(guān)變換器的三相六狀態(tài)無刷直流電機(jī)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算得到飛輪的瞬時(shí)模型，并根據(jù)狀態(tài)空間平均方法計(jì)算得到飛輪狀態(tài)空間模型，通過選擇滑模面方程，解析計(jì)算得到飛輪的等效控制律。該方法有效地改善了飛輪的動(dòng)靜態(tài)性能和魯棒性，具有良好的速度調(diào)節(jié)特性和較強(qiáng)的抗干擾能力，顯著提高了飛輪輸出力矩和轉(zhuǎn)速跟蹤精度。
【專利說明】
一種用于飛輪控制的滑模方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于飛輪控制的滑模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 飛輪是各類衛(wèi)星、載人飛船、宇宙探測(cè)器等航天器實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制和姿態(tài)穩(wěn)定的核 心慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)外在軌運(yùn)行的高精度三軸穩(wěn)定衛(wèi)星中，幾乎都采用飛輪作為主 要慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)這類衛(wèi)星的高精度，其姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須具備相應(yīng)的高精 度。
[0003] 目前，衛(wèi)星對(duì)姿控系統(tǒng)精度、壽命和可靠性的要求越來越高，而飛輪具有不消耗燃 料、力矩精度高、適合吸收擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，是一類重要的執(zhí)行元件。飛輪結(jié)構(gòu)上可看作慣性矩 較大的電機(jī)，國(guó)內(nèi)外飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用無刷直流電機(jī)，而該電機(jī)本質(zhì)上是非線性時(shí)變系 統(tǒng)，存在電樞反應(yīng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和繞組變化等，同時(shí)脈寬調(diào)制也具有較強(qiáng)的非線性和未建模動(dòng) 態(tài);此外，飛輪工作時(shí)還存在著風(fēng)阻、油膜、磁阻和摩擦等，嚴(yán)重影響動(dòng)靜態(tài)性能，降低了飛 輪的力矩精度。
[0004] 飛輪通過基于開關(guān)變換器的無刷直流電機(jī)，使輪體加速或制動(dòng)產(chǎn)生反作用力矩， 來改變衛(wèi)星的姿態(tài)或?qū)箶_動(dòng)力矩以保持衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定。其核心是對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，飛 輪調(diào)速范圍較寬，調(diào)速要求是電機(jī)直流側(cè)電壓隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而改變，因此多采用電壓模 式控制的開關(guān)變換器。
[0005] 而開關(guān)變換器是一個(gè)強(qiáng)非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，存在豐富的線性與非線性動(dòng)力學(xué)行為， 如霍普分叉、倍周期分叉、邊界碰撞分叉、切分叉、共存吸引子等。一般采用基于非線性控制 方法的脈寬調(diào)制開關(guān)變換器，其具有更好的魯棒性、更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且對(duì)輸入電源和負(fù) 載擾動(dòng)具備良好的抑制能力。
[0006] 由于在飛輪中存在著不確定干擾力矩，嚴(yán)重地影響飛輪輸出力矩的動(dòng)、靜態(tài)性能， 降低了飛輪力矩輸出精度。常規(guī)的比例-積分-微分方法不能很好地兼顧動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗干擾 能力的要求，因此有學(xué)者采用如模糊方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法及智能方法，但是模糊規(guī)則較復(fù) 雜，致使效果不夠理想；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法因需要不斷學(xué)習(xí)來調(diào)整參數(shù)，需要高速的處理器，硬 件實(shí)現(xiàn)困難;而智能方法較為復(fù)雜且大多僅限于計(jì)算機(jī)仿真，難以工程應(yīng)用。
[0007] 因此針對(duì)影響飛輪動(dòng)靜態(tài)性能的參數(shù)變化和不確定性擾動(dòng)，需要一種用于飛輪控 制的滑模方法，計(jì)算得到飛輪的控制律，對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)輸入的指令進(jìn)行響應(yīng)，從而控 制飛輪的輸出，有效提高飛輪的控制精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種用于飛輪控制的滑模方法，用以解決現(xiàn)有 技術(shù)中模糊規(guī)則較復(fù)雜，致使效果不夠理想;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法硬件實(shí)現(xiàn)困難;智能方法難以工 程應(yīng)用等問題。
[0009] 本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0010] -種用于動(dòng)量輪高精度控制的滑模方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0011] 步驟1、建立飛輪的無刷直流電機(jī)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0012] 步驟2、根據(jù)飛輪的無刷直流電機(jī)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算飛輪瞬時(shí)模型；
[0013] 步驟3、計(jì)算動(dòng)量輪狀態(tài)空間模型；
[0014]步驟4、選擇滑面模方程；
[0015]步驟5、解析計(jì)算飛輪等效控制律
[0016] 步驟6、將飛輪等效控制律裝訂到飛輪控制模塊中，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)控制數(shù)據(jù)控制飛 輪。
[0017] 步驟1中所述飛輪的無刷直流電機(jī)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：
[0018] 開關(guān)變換器、三相全橋逆變器和無刷直流電機(jī);兩兩導(dǎo)通星形連接方式，每一瞬間 上下橋臂各有一個(gè)換相管同時(shí)導(dǎo)通，對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行正常換相。
[0019] 所述步驟2進(jìn)一步包括：
[0020] 當(dāng)飛輪運(yùn)行在連續(xù)導(dǎo)通模式下，對(duì)開關(guān)變換器進(jìn)行小信號(hào)線性化分析，根據(jù)電感 電流和電容電壓不會(huì)發(fā)生突變的特性得到開關(guān)變換器的小信號(hào)模型與飛輪瞬時(shí)模型。
[0021 ]所述步驟3進(jìn)一步包括：
[0022]將飛輪瞬時(shí)模型用矩陣形式表示，轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間形式，得到狀態(tài)空間模型。
[0023]所述步驟4進(jìn)一步包括：
[0024]選取滑模面方程，計(jì)算得到滑模面。
[0025]所述步驟5進(jìn)一步包括：
[0026]根據(jù)滑模不變性條件得到飛輪等效控制律。
[0027]本發(fā)明有益效果如下：
[0028] 本發(fā)明公開的用于飛輪高精度控制的滑模方法，具有穩(wěn)定性好、魯棒性強(qiáng)、良好的 動(dòng)態(tài)品質(zhì)以及容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，對(duì)參數(shù)變化不敏感且不受外部擾動(dòng)的影響，特別適合脈寬 調(diào)制開關(guān)變換器。
[0029] 本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變 得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明 書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0030] 附圖僅用于示出具體實(shí)施例的目的，而并不認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制，在整個(gè)附圖 中，相同的參考符號(hào)表不相同的部件。
[0031 ]圖1為本發(fā)明的一種用于飛輪高精度控制的滑模方法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明的一種用于飛輪高精度控制的滑模方法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電流流向圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明的一種用于飛輪高精度控制的滑模方法步驟圖；
[0034] 圖4為采用常規(guī)比例-積分-微分控制方法的飛輪力矩響應(yīng)曲線圖；
[0035]圖5為本發(fā)明采用滑模方法的飛輪力矩響應(yīng)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中，附圖構(gòu)成本申請(qǐng)一部分，并 與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。
[0037] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，公開了一種用于飛輪控制的滑模方法，如圖3所 示，具體包括以下步驟：
[0038] (1)建立飛輪的無刷直流電機(jī)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
[0039]如圖1所示，飛輪采用三相六狀態(tài)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無刷直流電機(jī)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 包括開關(guān)變換器、三相全橋逆變器和無刷直流電機(jī);兩兩導(dǎo)通星形連接方式，每一瞬間上下 橋臂各有一個(gè)換相管同時(shí)導(dǎo)通，對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行正常換相，一周內(nèi)有六種狀態(tài)，也稱為 二相導(dǎo)通星形二相流狀態(tài)。
[0040] 由換向器中六個(gè)換相器組成的橋式電路切換通過a、b、c三個(gè)繞組的電流，例如VT1 與VT6導(dǎo)通時(shí)，電流從a繞組進(jìn)b繞組出；每個(gè)換相器旁并聯(lián)有續(xù)流二極管為換相管關(guān)斷時(shí)提 供續(xù)流通路。通過換相器的狀態(tài)變化使轉(zhuǎn)子隨磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。可以利用線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)變 化來獲取轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)；或通過檢測(cè)導(dǎo)通線圈的續(xù)流二極管狀態(tài)來獲取轉(zhuǎn)子的位置信 號(hào)。
[0041] 其中，UDC為電機(jī)母線電壓;VTi(i = l_6)為換相管;VT7為開關(guān)變換器;VT8為制動(dòng) 管;VDi (i = 1-8)為續(xù)流二極管;VD為續(xù)流二極管;L為開關(guān)電感;C為開關(guān)電容;i為開關(guān)變換 器電流;u為開關(guān)變換器電壓；im為電機(jī)電流;v為開關(guān)電容電壓;R P為功率電阻;Rs為采樣電 阻;Rm、LAv別為繞組等效電阻和電感;e a、eb、ec分別為a、b、c繞組反電動(dòng)勢(shì)。其中Udc、L、C、Rp、 Rs、Rm、Lm、ea、eb、e。參數(shù)為固有參數(shù)，而i、im、V為通過傳感器測(cè)量得到。
[0042]假設(shè)無刷直流電機(jī)三相繞組對(duì)稱且參數(shù)完全相同，忽略繞組換相的影響，并以a、b 繞組兩相導(dǎo)通為例，得到無刷直流電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中電流流向，如圖2所示。
[0043] (2)根據(jù)飛輪的無刷直流電機(jī)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算飛輪瞬時(shí)模型
[0044] 飛輪運(yùn)行模式包括連續(xù)導(dǎo)通模式(相當(dāng)于加電）和斷開模式，當(dāng)飛輪運(yùn)行在連續(xù)導(dǎo) 通模式下，以VT7導(dǎo)通、VT8截止為例，對(duì)開關(guān)變換器VT7進(jìn)行小信號(hào)線性化分析，根據(jù)電感電 流和電容電壓不會(huì)發(fā)生突變的特性有：開關(guān)變換器的小信號(hào)模型可以表示為：
*飛輪瞬時(shí)模型可以表示為：
式中，w為電機(jī)轉(zhuǎn)速、Kt為電機(jī)力矩系數(shù)、J為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、Bv為阻尼系數(shù)、為反電動(dòng)勢(shì)系 數(shù)、u為控制量、Td為干擾力矩。
[0045] (3)計(jì)算飛輪狀態(tài)空間模型
[0046] 令狀態(tài)變量叉1 = 11，:?[2=;[，:?[3 = ;[111，:?[4=(0，貝||矢量叉=[叉1， :?[2，:?[3，:?[4]丁=[11，;[， ;[111，（0 ]T，將飛輪瞬時(shí)模型用矩陣形式表示，轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間形式，得到狀態(tài)空間模型為：
[0048]
_根據(jù)狀態(tài)空間模型可以得到 X 二 /(x) + g(x)w,〇/ e ·?〇,?},Λ- e /Γ),其中 Rn 為 η 維實(shí)向量空間，f(X)，g(X)屬于 Rn 上充 分光滑的向量場(chǎng)。
[0049] (4)為了滿足滑模不變性條件，選擇滑面模方程
[0050] 開關(guān)變換器只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)，飛輪滑模方法可以盡快到達(dá)滑模面，不僅 滿足漸進(jìn)穩(wěn)定條件，而且還有較好的動(dòng)態(tài)特性。為了使滑模面方程盡可能地包含飛輪可以 測(cè)量的參數(shù)，更好地響應(yīng)參考轉(zhuǎn)速指令，選取滑模面方程為：
[0051 ] --·γι)-ΗΛ + +
[0052] 式中，C1、C2、C3為參數(shù)變量;Vr為參考開關(guān)電容電壓；imr為參考電機(jī)電流；Wr為參 考電機(jī)轉(zhuǎn)速，辦、imr、略分別為Vr、imr、的一階導(dǎo)數(shù)。給定飛輪控制目標(biāo)期望值Vr、imr 和ω r后，其值保持不變且一階導(dǎo)數(shù)為〇，因此可以計(jì)算得到滑模面為
[0054] (5)解析計(jì)算飛輪等效控制律
[0055] 根據(jù)滑模不變性條件s(x)=0,得到飛輪等效控制律為
[0058] (6)將飛輪等效控制律裝訂到飛輪控制模塊中，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)控制數(shù)據(jù)控制飛輪。
[0059] 本實(shí)施例以飛輪工程樣機(jī)實(shí)測(cè)值為例，飛輪參數(shù)如下:UDe = 27V，AVT = 0.6V，J = 0.027kgm2，Kt = 0.031Nm/A，Ke = 0.018V/rpm，Bv = 2.7X10-4，C = 35uF，Lm=42uH，Rm=0.15 Ω，RP = 4.3Q，Rs = 〇.12Q，L = 0.55mH，Td = 0.002Nm，cl = 0.01，c2 = 0.03，c3 = 0.02。
[0060] 采用上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在環(huán)境溫度為20±1°C、真空度lOPa以內(nèi)、采樣頻率1/Ts = 100Hz的狀況下，分別采用常規(guī)比例-積分-微分方法和和滑模方法在飛輪上進(jìn)行力矩響應(yīng) 實(shí)驗(yàn)，通過解析出的等效控制律控制飛輪運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生力矩響應(yīng)。圖4和圖5分別給出了在給定 力矩指令0 · 〇4Nm、當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到5000rpm時(shí)，力矩指令改為ONm，采用常規(guī)比例-積分-微分方法 和本發(fā)明的滑模方法得出的飛輪的力矩響應(yīng)曲線圖。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間（秒），縱坐標(biāo)為凈 力矩(Nm)。
[0061] 試驗(yàn)結(jié)果表明：本發(fā)明所公開的用于飛輪高精度控制的滑模方法，穩(wěn)定性好、魯棒 性強(qiáng)和良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)以及容易實(shí)現(xiàn)等，對(duì)參數(shù)變化不敏感和不受外部擾動(dòng)的影響，特別 適合脈寬調(diào)制開關(guān)變換器。飛輪永力矩響應(yīng)誤差從O.OlNm減小到0.002Nm，提高了飛輪力矩 精度，而且力矩響應(yīng)更加平滑。
[0062]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法的全部或部分流程，可以通過計(jì) 算機(jī)程序來指令相關(guān)的硬件來完成，所述的程序可存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中。其中，所 述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)為磁盤、光盤、只讀存儲(chǔ)記憶體或隨機(jī)存儲(chǔ)記憶體等。
[0063]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用飛輪控制的滑模方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1、建立飛輪的無刷直流電機(jī)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 步驟2、根據(jù)飛輪的無刷直流電機(jī)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算飛輪瞬時(shí)模型； 步驟3、計(jì)算動(dòng)量輪狀態(tài)空間模型； 步驟4、選擇滑面模方程； 步驟5、解析計(jì)算飛輪等效控制律 步驟6、將飛輪等效控制律裝訂到飛輪控制模塊中，根據(jù)衛(wèi)星姿態(tài)控制數(shù)據(jù)控制飛輪。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于動(dòng)量輪高精度控制的滑模方法，其特征在于，步驟1中所 述飛輪的無刷直流電機(jī)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括： 開關(guān)變換器、三相全橋逆變器和無刷直流電機(jī);兩兩導(dǎo)通星形連接方式，每一瞬間上下 橋臂各有一個(gè)換相管同時(shí)導(dǎo)通，對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行正常換相。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于動(dòng)量輪高精度控制的滑模方法，其特征在于，所述步驟2 進(jìn)一步包括： 當(dāng)飛輪運(yùn)行在連續(xù)導(dǎo)通模式下，對(duì)開關(guān)變換器進(jìn)行小信號(hào)線性化分析，根據(jù)電感電流 和電容電壓不會(huì)發(fā)生突變的特性得到開關(guān)變換器的小信號(hào)模型與飛輪瞬時(shí)模型。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于動(dòng)量輪高精度控制的滑模方法，其特征在于，所述步驟3 進(jìn)一步包括： 將飛輪瞬時(shí)模型用矩陣形式表示，轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間形式，得到狀態(tài)空間模型。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于動(dòng)量輪高精度控制的滑模方法，其特征在于，所述步驟4 進(jìn)一步包括： 選取滑模面方程，計(jì)算得到滑模面。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于動(dòng)量輪高精度控制的滑模方法，其特征在于，所述步驟5 進(jìn)一步包括： 根據(jù)滑模不變性條件得到飛輪等效控制律。
【文檔編號(hào)】H02P6/06GK106026794SQ201610629062
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年8月3日
【發(fā)明人】張聰, 馬俊, 魏慧 , 余東東, 魏厚震, 馬文橋
【申請(qǐng)人】北京機(jī)械設(shè)備研究所