高精度反作用飛輪的驅(qū)動(dòng)與控制
王其君1,2，黎海文1，吳一輝1，黃敦新1,2
(1中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033；2中國科學(xué)院研究生院，北京100049)
摘要：分析了飛輪運(yùn)行的兩種模式，表明力矩模式具有控制方便、精度高的優(yōu)點(diǎn)：在此基礎(chǔ)上提出了飛輪驅(qū)動(dòng)和控制方式和系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)表明，這種驅(qū)動(dòng)和控制的方式，具有精度高、控制方便和效率高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：反作用飛輪；驅(qū)動(dòng)電路；控制
中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)01—0050—03
O引 言
反作用飛輪作為三軸穩(wěn)定航天器姿態(tài)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相比于其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它具有控制精度高、壽命長等特點(diǎn)。它作為控制系統(tǒng)的一個(gè)執(zhí)行環(huán)節(jié)，有兩種基本的工作模式[1]。一種是要求飛輪的轉(zhuǎn)速與其輸入控制信號成比例關(guān)系，以轉(zhuǎn)速作為反饋量構(gòu)成閉路控制環(huán)節(jié)，稱為速度工作模式。另一種是要求飛輪的反作用力矩與其輸入控制信號成比例關(guān)系，稱為力矩工作模式。
飛輪速度控制模式的優(yōu)點(diǎn)是軸承摩擦等各種擾動(dòng)力矩是內(nèi)力，其影響可通過閉環(huán)控制作用得到抑制；缺點(diǎn)是需要增加高精度的測速裝置，在實(shí)際應(yīng)用的飛輪裝置往往不單獨(dú)設(shè)置高精度的測速傳感器[1]，而利用驅(qū)動(dòng)飛輪的無刷直流電動(dòng)機(jī)的換相脈沖實(shí)現(xiàn)測速。由于電機(jī)換相脈沖數(shù)受到限制，要實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速測定是很困難的，特別是在低速情況下準(zhǔn)確測量轉(zhuǎn)速更加困難。飛輪力矩控制的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，控制信號直接對應(yīng)力矩，實(shí)現(xiàn)對各種干擾的抵消和對衛(wèi)星姿態(tài)的控制；缺點(diǎn)是飛輪電機(jī)的電磁輸出力矩和軸承摩擦等各種擾動(dòng)力矩共同作用在衛(wèi)星上，使輸出力矩與控制信號偏離規(guī)定的比例。飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比星體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小得多，并且軸承摩擦力矩比較小，因此對飛輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制必要性不大。如果在力矩模式的基礎(chǔ)上加上軸承摩擦力矩補(bǔ)償[2]，那么力矩模式的性能會(huì)更好。因此，本文主要研究高精度力矩模式反作用輪的驅(qū)動(dòng)和控制。
1驅(qū)動(dòng)電路
反作用飛輪是由無刷直流電動(dòng)機(jī)和大慣量的輪子組成，因此研究反作用飛輪的驅(qū)動(dòng)電路其實(shí)就是研究無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路�，F(xiàn)在廣泛使用的飛輪和無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要有PAM模式半橋驅(qū)動(dòng)電路[3]，如圖1所示；PwM模式全橋驅(qū)動(dòng)
電路[4]，如圖2所示。PAM模式半橋驅(qū)動(dòng)電路具有驅(qū)動(dòng)方式簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是，這種驅(qū)動(dòng)方式在電機(jī)換相時(shí)沒有二極管續(xù)流回路，對功率管沖擊較大；每一個(gè)時(shí)刻只有一相繞組通電，電機(jī)效率低。PwM模式驅(qū)動(dòng)電路具有效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是，它是通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)繞組上的電流。在電流小的時(shí)候，占空比較小，電流波動(dòng)大，取電流作為反饋量時(shí)，較大的紋波使系統(tǒng)性能變差，同時(shí)這種方式電流檢測麻煩，需要使用電流傳感器，電流傳感器體積大，難以在空間裝置中采用[5]。針對上面兩種驅(qū)動(dòng)電路的各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要找到一種驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率高、電機(jī)力矩波動(dòng)小、電流采樣方便的驅(qū)動(dòng)電路。綜合考慮采用PAM全橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是影響電機(jī)控制精度的重要環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分為換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和非換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，其中換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)占主要因素。PAM全橋驅(qū)動(dòng)電路換相期間轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析如下：
換相時(shí)，存在兩種情況，一是三相橋兩個(gè)上橋臂之間換流；二是兩個(gè)下橋臂之間換流。由于這兩種方式是對稱的，下面用上橋臂之間換流進(jìn)行分析，假設(shè)A相退出，B相開通，Tl關(guān)斷,13導(dǎo)通(如圖3所示)。由于換相時(shí)間很短，近似認(rèn)為A相反電動(dòng)勢為E，B相反電動(dòng)勢為E，c相反電動(dòng)勢為一E，列出此時(shí)的電路方程為：
由以上分析可知，只要保證非換相電流ic保持不變的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩不變，電磁轉(zhuǎn)矩不發(fā)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，也即是要保證A相電流的下降速率和B相電流的上升速率一樣。由式(1)一式(4)可以得到：
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