專利名稱：一種高速永磁無刷直流電機鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高速永磁無刷直流電動機鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)，用于實現(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：
大型航天器的高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術是航天器系統(tǒng)和控制技術需要重點突破的五大技術瓶頸之一。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，并具有很強的抗干擾性和很快響應速度等優(yōu)點，在國際上已得到廣泛應用，并且已經(jīng)成為長壽命大型航天器首選的執(zhí)行機構(gòu)。
控制力矩陀螺系統(tǒng)通過控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，改變角動量的大小來產(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。
為了實現(xiàn)高精度的姿態(tài)控制，要求高速永磁無刷直流驅(qū)動電動機具有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)，也應是無差系統(tǒng)，但它是將速度作為控制信號，現(xiàn)有的測速方法均存在系統(tǒng)誤差，從而限制了控制的精度。而鎖相技術在高精度高速永磁無刷直流電機速度控制方面具有獨特的優(yōu)勢，當電機轉(zhuǎn)速的反饋信號和參考頻率信號同步時，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精度可達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，能夠準確的傳遞相位信息。
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)字電路來實現(xiàn)，使得改善動態(tài)性能和提高抗干擾能力的先進算法無法應用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術穩(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刷直流電動機的鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術解決方案一種高速永磁無刷直流電機鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)，其特點在于包括鎖相環(huán)速度控制器、數(shù)字低通濾波器、功率放大器、永磁無刷直流電動機、霍爾效應轉(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作為功率放大器的輸入信號，功率放大器由換向邏輯和PWM驅(qū)動信號對永磁無刷直流電動機進行驅(qū)動和調(diào)速，在永磁無刷直流電動機穩(wěn)速過程中，霍爾效應轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測輸出的位置信號、轉(zhuǎn)速信號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電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器信號進行捕獲，經(jīng)運算和修正作為鎖相穩(wěn)速控制器的速度反饋信號，并與速度參考信號相減得到鎖相控制器的輸入信號，鎖相算法經(jīng)DSP運算后的輸出量，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行比較生成PWM波形，通過改變PWM的占空比來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并結(jié)合轉(zhuǎn)子位置進行換向。
本發(fā)明的原理是電動機速度控制中應用的鎖相環(huán)與通訊中應用的鎖相環(huán)之間存在著本質(zhì)的差別。在電動機控制中，電動機-測速器可以被看作是帶有慣性的電壓控制振蕩器；在電動機的鎖相環(huán)控制中，數(shù)字積分器是將速度的頻差進行積分用以生成控制量和檢測電動機轉(zhuǎn)速的頻率鎖定。頻率鎖定后重積分環(huán)節(jié)開始起作用，進行相位鎖定。相位鎖定并不是要求轉(zhuǎn)速的給定與反饋信號完全同相，而是當兩信號之間的相位差恒定即是完成了相位鎖定；在工程應用中，常常需要設計一個對慣性負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)都夠穩(wěn)定的工作；本發(fā)明對磁懸浮控制力矩陀螺用高速永磁無刷直流電動機鎖相穩(wěn)速控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)采用頻域設計方法，相位裕量應在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刷直流電動機鎖相控制系統(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)過低通濾波和功率放大后，對電機進行速度調(diào)節(jié)，再通過霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器構(gòu)成反饋。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于鎖相調(diào)速在穩(wěn)態(tài)精度方面有獨特的優(yōu)勢，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，傳遞相位信息的霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器只存在瞬時的相位抖動，每周的平均誤差為0，能夠準確的傳遞相位信息，由于相位是轉(zhuǎn)速的積分，對于轉(zhuǎn)速階躍，即使穩(wěn)態(tài)相位存在誤差，對于速度而言也是無差的。PI控制，理論上由于存在積分環(huán)節(jié)，也應是無差系統(tǒng)，但它是將速度作為控制信號，現(xiàn)有的測速方法均存在系統(tǒng)誤差，從而限制了控制的精度。
圖1為本發(fā)明的高速永磁無刷直流電機鎖相速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的高速永磁無刷直流電動機鎖相控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明的高速永磁無刷直流電動機鎖相控制系統(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。
具體實施例方式
如圖1，本發(fā)明由使用數(shù)字信號處理器DSP實現(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、永磁無刷直流電動機4、霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器5組成，電動機在穩(wěn)速過程中，鎖相環(huán)速度控制器1將輸出的控制信號提供給數(shù)字低通濾波器2，濾除高頻噪聲后的輸出信號作為功率放大器3的輸入信號，功率放大器3由換向邏輯和PWM驅(qū)動信號對永磁無刷直流電動機4進行驅(qū)動和調(diào)速，在永磁無刷直流電動機4穩(wěn)速過程中，霍爾效應轉(zhuǎn)子位置傳感器5的輸出的位置信號、轉(zhuǎn)速信號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)，假設磁懸浮控制力矩陀螺的高速無刷直流電機三相繞組對稱，并忽略負載轉(zhuǎn)矩，則其開環(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)換器濾波時間常數(shù)；ki-積分系數(shù)；τ1、τ2-重積分器的時間常數(shù)；kφ-重積分器的相位增益；τf-濾波時間常數(shù)；kA-功率放大增益；KT-轉(zhuǎn)矩常數(shù)；J-轉(zhuǎn)動慣量；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、存儲器、數(shù)字I/O、PWM模塊組成，數(shù)字I/O對來自霍爾效應轉(zhuǎn)子位置傳感器5的信號進行轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測，第1路PWM到第6路PWM用于永磁無刷直流電動機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)，檢測電機轉(zhuǎn)速，計算轉(zhuǎn)速差，然后計算單穩(wěn)態(tài)頻壓轉(zhuǎn)換器、積分器和重積分器的輸出量，將三個環(huán)節(jié)的輸出值求和，計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)制信號控制電機的轉(zhuǎn)速。
權利要求
1.一種高速永磁無刷直流電機鎖相穩(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)、永磁無刷直流電動機(4)、霍爾效應轉(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作為功率放大器(3)的輸入信號，功率放大器(3)由換向邏輯和PWM驅(qū)動信號對永磁無刷直流電動機(4)進行驅(qū)動和調(diào)速，在永磁無刷直流電動機(4)穩(wěn)速過程中，霍爾效應轉(zhuǎn)子位置傳感器(5)檢測輸出的位置信號、轉(zhuǎn)速信號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)權利要求1所述的高速永磁無刷直流電機鎖相穩(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)字信號處理器(DSP)、存儲器、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電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器信號進行捕獲，經(jīng)運算和修正作為鎖相穩(wěn)速控制器(1)的速度反饋信號，并與速度參考信號相減得到鎖相控制器(1)的輸入信號；鎖相算法經(jīng)DSP運算后的輸出量，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行比較生成PWM波形，通過改變PWM的占空比來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并結(jié)合轉(zhuǎn)子位置進行換向。
全文摘要
一種高速永磁無刷直流電動機鎖相穩(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)行機構(gòu)的高速驅(qū)動電機的高精度穩(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、永磁無刷直流電動機、霍爾效應轉(zhuǎn)子位置傳感器組成，鎖相技術在高精度高速永磁無刷直流電機速度控制方面具有獨特的優(yōu)勢，當電機轉(zhuǎn)速的反饋信號和參考頻率信號同步時，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精度可達0.02％～0.1％，這是常規(guī)的調(diào)速系統(tǒng)所不具備的。本發(fā)明通過低精度的霍爾效應轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得轉(zhuǎn)速反饋，實現(xiàn)了磁懸浮控制力矩陀螺用高速永磁無刷直流電機的高精度穩(wěn)速控制。
文檔編號H02P6/14GK1968002SQ20061011398
公開日2007年5月23日 申請日期2006年10月24日 優(yōu)先權日2006年10月24日
發(fā)明者房建成, 王志強, 劉剛, 李建科, 劉虎, 孫津濟 申請人:北京航空航天大學