一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制装置，用于卫星的高精度姿态控制执行机构——磁悬浮反作用飞轮用三相永磁无刷直流电机的控制，该装置主要包括直流电源、降压斩波调制开关管、ＬＣ滤波电路、能耗制动电路、电机绕组、逆变电路、调制脉动抑制电路、数字信号处理器。本发明专利技术通过一种磁悬浮反作用飞轮电机转矩脉动抑制装置，可以有效的抑制磁悬浮反作用飞轮电机的电磁转矩脉动，从而保证飞轮输出平稳的力矩。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制装置，主要用于新一代卫星的长寿命、高精度姿态控制执行机构，用于抑制磁悬浮反作用飞轮电机的电磁转矩脉 动，保证磁悬浮反作用飞轮输出平稳控制力矩。
技术介绍
飞轮是卫星姿态控制系统的关键执行部件，主要用于实现卫星姿态机动和姿态稳 定。在航天器姿态控制系统中，飞轮按照姿控系统指令，提供合适的控制力矩，矫正航天器 的姿态偏差，或完成某种姿态的调整。通过飞轮与卫星本体间的角动量交换，吸收由于空间 环境干扰力矩引起的星体角动量变化，实现稳定卫星姿态的目的。在航天空间飞行器姿态 控制中，通过对大惯量飞轮转子的加速和制动(减速)控制，产生施加在载体上的反作用力 矩，从而实现对载体运动的控制。当电机处于减速制动状态时，常用的方法是能耗制动和 反接制动综合方法。当电机转速很高时，利用飞轮转子贮存的动能，进行能耗制动；当电机 的转速变低后，再切换成反接制动。 随着对卫星精度的要求越来越高，要求飞轮的控制精度越来越高。磁悬浮反作用 飞轮电机转矩脉动是影响磁悬浮反作用飞轮电机控制精度的主要因素，并且转矩脉动会降 低电力传动系统控制特性并造成机器噪音，振动，降低机器使用寿命和驱动系统的可靠性。 要实现磁悬浮反作用飞轮的高精度、高稳定控制就必须要采取有效的措施来抑制电机转矩 脉动。转矩脉动是无刷电机在低速运行时的一项十分重要的性能指标，通常高性能伺服系 统的低速转矩脉动应小于3%。造成转矩脉动的原因多种多样，电机的三大组成部分都对 转矩脉动有直接影响。按产生转矩脉动的原因，可分以下几方面电磁因素引起的转矩脉 动、电流换相引起的转矩脉动、齿槽引起的转矩脉动、电枢反应影响和机械工艺引起的转矩 脉动等。 目前采用硬件对于转矩脉动的抑制装置主要是针对电机电动状态下的转矩脉动 进行抑制的，还未提出关于制动状态下的转矩脉动的抑制方法。通用的电动状态下的抑 制转矩脉动的方法为在三相逆变桥前端加上BUCK变换器，其各部分连接关系如图3所 示(自张晓峰，胡庆.基于BUCK变换器的无刷直流电机转矩脉动抑制方法.电工技术学 报.2005,20(9). p72-p81)。通过单一直流母线电流的反馈闭环控制来抑制转矩脉动的方 法，这种转矩脉动抑制装置由降压斩波开关管21、 LC滤波电路22、逆变电路23组成，在这 种控制方式下，由于三相逆变桥(逆变电路23)采用的是恒通方式，此时直流母线上的采样 电流值在每一个传导区内，不会出现脉动，可以实时地反映导通相绕组的真实电流大小。此 时直流母线电流反馈信号和给定信号的误差信号来控制BUCK电路开关管(降压斩波开关 管21)的占空比，来实现电机的转矩控制，使得电磁转矩Te在每一个传导区内为恒定值，有 效的消除了传导区转矩脉动的现象。但反作用飞轮不仅存在电动运行状态还存在制动运行 状态。采用这种装置，当飞轮输出正力矩处于电动运行状态时其转矩脉动可以予以解决，但 当飞轮输出负力矩进行反接制动时，此时逆变电路23运行与电动状态相反的换相表，即当某相反电动势值最低时令此相开关管导通。为了防止产生相间环流，要求绕组端电压高于 反接制动运行状态下各相的最高反电动势，此时降压斩波开关管21用来控制绕组端电压 使其高于各相的最高反电动势，而逆变电路23各开关管既进行换相又进行调制以产生要 求的控制力矩，在调制过程中由于开关管不停的处于开通与关断的切换状态，因此，绕组电 流会出现上下波动，进而会产生转矩脉动。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是克服现有技术存在的反作用飞轮电机处于能耗制动、 反接制动运行过程中，由于开关管处于调制状态导通区电磁转矩脉动严重的问题，本专利技术 提出一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制方法，能够有效的降低反作用飞轮电机 在能耗制动、反接制动过程中产生的电磁转矩脉动。 本专利技术的技术解决方案一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制装置，包 括直流电源、降压斩波调制开关管、LC滤波电路、电机绕组、逆变电路，能耗制动电路和调制 脉动抑制电路，其中直流电源连接到降压斩波调制开关管的集电极，降压斩波调制开关管 的基极触发信号由数字信号处理器产生，用于控制降压斩波调制开关管的开通与关断，对 直流电源的电压进行调制；LC滤波电路连接到降压斩波调制开关管的发射极用于接收经降压斩波开关管调制后的电压，滤除附着在调制后电压上的噪声及高频信号；能耗制动电 路与LC滤波电路和电机绕组连接，用于调节能耗制动电流；电机绕组接收经LC滤波电路滤 波后的电压并在逆变电路的作用下控制电机运行；逆变电路与电机绕组连接用于接收由数 字信号处理器产生的换相信号；调制脉动抑制电路与逆变电路连接，接收由数字信号处理 器产生的脉动抑制控制信号。 能耗制动电路由能耗制动电阻、能耗制动续流回路和能耗制动开关管组成，其中 能耗制动续流回路一端与能耗制动电阻相连接，另一端与能耗制动开关管相连接。调制脉 动抑制电路由电动通路和反接制动通路组成，电动通路和反接制动通路同时与逆变电路的 三个换相开关管的发射极相连，在电机电动运行过程中，逆变电路与电动通路组成电流导 通电路；在电机反接制动过程中，逆变电路与反接制动通路组成电流导通电路。反接制动通 路由反接制动续流回路与反接制动开关管组成，其中反接制动续流回路上端与逆变电路的 三个换相开关管的发射极相连，下端与反接制动开关管的集电极相连接；反接制动开关管 的基极与数字信号处理器相连接，接收由数字信号处理器产生的脉动抑制控制信号，反接 制动开关的发射极接地。 本专利技术的原理是磁悬浮反作用飞轮根据卫星姿态控制信号的要求分别进行电动 运行和制动运行控制，由于调整卫星姿态地要求，反作用飞轮不仅要输出正力矩还要输出负力矩，由电磁转矩力矩公式义=+ (W。 ，其中，m为飞轮角速度，ea， eb， ec分别代表A， B， C三相绕组的相反电动势，ia， ib， i。分别代表A， B， C导通相绕组电流。当反作 用飞轮输出正力矩时要求导通相反电动势和导通相电流的方向相同，当某相绕组的反电动 势最高时令此相绕组导通，飞轮输出正力矩；飞轮输出负力矩时，当飞轮转速比较高进行能 耗制动，此时将供电电源断开，利用其反电动势，令绕组电流反向流通可以输出负力矩；当 飞轮转速比较低时采用反接制动，当某相绕组的反电动势最低时令此相绕组导通，此时导4通相反电动势和导通相电流的方向相反，飞轮输出负力矩。 当磁悬浮反作用飞轮电机处于电动运行状态时，数字信号处理器15根据电机转子的位置、速度产生七路控制信号，其中一路控制信号P丽l用于控制降压斩波调制开关管2的TV1，用于控制驱动电压；一路控制信号P丽2用于控制能耗制动开关管7的TV2，使其处于关断状态；三路控制信号P丽3、 P丽4、 P丽5分别用于控制逆变电路9的三个开关管TV3、TV4、 TV5，实现电机换相，其控制频率是由当前电机转速确定；另外控制信号P丽X0用于控制调制脉动抑制电路10的开关管VTX0使其处于开通状态；控制信号P丽X1用于控制调制脉动抑制电路10的开关管VTX1使其处于关断状态。首先降压斩波开关管2接收数字信号处理器15的控制信号P丽l将直流电源1电压转换为电机输出力矩所需电压，经降压斩波开关管2调制后的电压存在较大的脉动；本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制装置包括直流电源（１）、降压斩波调制开关管（２）、ＬＣ滤波电路（３）、电机绕组（８）、逆变电路（９）、数字信号处理器（１５），其特征在于：还包括能耗制动电路（４）和调制脉动抑制电路（１０），其中直流电源（１）与降压斩波调制开关管（２）的集电极相连，降压斩波调制开关管（２）的基极触发信号由数字信号处理器（１５）产生，用于控制降压斩波调制开关管（２）的开通与关断，对直流电源（１）的电压进行调制；降压斩波调制开关管（２）的发射极与ＬＣ滤波电路（３）相连，ＬＣ滤波电路（３）用于接收经降压斩波开关管（２）调制后的电压，滤除附着在调制后电压上的噪声及高频信号；能耗制动电路（４）与ＬＣ滤波电路（３）和电机绕组（８）连接，通过调节能耗制动开关管（７）来调节能耗制动电流；电机绕组（８）接收经ＬＣ滤波电路（３）滤波后的电压并在逆变电路（９）的作用下控制电机运行；逆变电路（９）与电机绕组（８）相连用于接收由数字信号处理器（１５）产生的换相信号；调制脉动抑制电路（１０）与逆变电路（９）相连，接收由数字信号处理器（１５）产生的脉动抑制控制信号；数字信号处理器（１５）产生七路控制信号，第一路与降压斩波调制开关管（２）的基极相连，第二路与能耗制动开关管（７）的基极相连，第三、四、五路与逆变电路（９）相连，第六、七路与调制脉动抑制电路（１０）相连。...
【技术特征摘要】
一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制装置包括直流电源(1)、降压斩波调制开关管(2)、LC滤波电路(3)、电机绕组(8)、逆变电路(9)、数字信号处理器(15)，其特征在于还包括能耗制动电路(4)和调制脉动抑制电路(10)，其中直流电源(1)与降压斩波调制开关管(2)的集电极相连，降压斩波调制开关管(2)的基极触发信号由数字信号处理器(15)产生，用于控制降压斩波调制开关管(2)的开通与关断，对直流电源(1)的电压进行调制；降压斩波调制开关管(2)的发射极与LC滤波电路(3)相连，LC滤波电路(3)用于接收经降压斩波开关管(2)调制后的电压，滤除附着在调制后电压上的噪声及高频信号；能耗制动电路(4)与LC滤波电路(3)和电机绕组(8)连接，通过调节能耗制动开关管(7)来调节能耗制动电流；电机绕组(8)接收经LC滤波电路(3)滤波后的电压并在逆变电路(9)的作用下控制电机运行；逆变电路(9)与电机绕组(8)相连用于接收由数字信号处理器(15)产生的换相信号；调制脉动抑制电路(10)与逆变电路(9)相连，接收由数字信号处理器(15)产生的脉动抑制控制信号；数字信号处理器(15)产生七路控制信号，第一路与降压斩波调制开关管(2)的基极相连，第二路与能耗制动开关管(7)的基极相连，第三、四、五路与逆变电路(9)相连，第六、七路与调制脉动抑制电路(10)相连。2. 根据权利要求1所述的一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制装置，其特征 在于所述的能耗制动电路(4)由能耗制动电阻(5)、能耗制动续流回路(6)和能耗制动开 关管(7)组成，其中能耗制动续流回路(6) —端与能耗制动电阻(5)相连，另一端与能耗制 动开...
【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，周新秀，刘刚，王志强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。