CN108811530B - 空间微飞轮驱动控制方法及驱动控制*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间微飞轮驱动控制方法及驱动控制***，该方法利用线性霍尔传感器的输出信号作定子相电流控制命令的参考信号，从而实现改进磁场定向控制算法。本发明实现的磁场定向控制策略中，不需要在静止三轴坐标系和同步旋转两轴坐标系之间进行繁琐的CLARK-PARK变换和PARK-CALRK逆变换运算，直接在静止三轴坐标系中即可产生各相电流控制命令，降低了磁场定向控制算法的实现难度，减少了对存储和计算资源的要求。

Description

空间微飞轮驱动控制方法及驱动控制***

技术领域

本发明涉及卫星姿态控制执行机构的驱动控制领域，尤其涉及一种空间微飞轮驱动控制方法及驱动控制***。

背景技术

在三相直流无刷电机伺服***中，为实现电机速度和位置的准确控制，一般采用磁场定向控制等方法。这些控制方法要求实时采集转子位置及速度反馈信号，并利用这些反馈信号实现对电机定子电流和方向的控制。

现有技术中，转子位置和速度的检测通过在电机本体上安装3个开关型霍尔传感器和一定精度的增量式光电编码器来实现。使用开关型霍尔传感器和增量式光电编码器作为反馈元件的伺服***可保证较高的控制精度，但是，多个反馈元件的使用增加了电机制造成本(例如，精度在1000线/转以上的增量式光电编码器的市场价格甚至比数百瓦电机本体价格还高)，且安装工序复杂(包括安装光电编码器和霍尔元件两道工序)、引线数多(至少需要10根引线)，降低了伺服***的可靠性。另外，利用该类型伺服***的磁场定向控制方法涉及静止坐标系和旋转坐标系之间的矢量变换运算，运算繁琐，且需耗费较多存储和计算资源，间接增加了***成本和实现难度，从而使得该类型伺服***难以在一些要求高性能、低成本的场合(如微纳卫星)应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间微飞轮驱动控制方法及驱动控制***，简化了磁场定向控制算法，降低了成本，大大减小了空间微飞轮整体的重量、体积，同时大大提高了伺服***的可靠性和转速的控制精度。

为了实现上述目的，本发明提供一种空间微飞轮驱动控制方法，包括以下步骤：(1)控制器的速度控制模块根据线性霍尔传感器的输出信号输出转矩电流命令I_s；(2)控制器的电流控制模块将转矩电流命令I_s与线性霍尔传感器的输出信号相乘，产生各相电流控制命令i_as、i_bs、i_cs；(3)电流采样电路采样电机各相实际电流i_a、i_b、i_c，并输送给所述电流控制模块；(4)所述电流控制模块将各相电流控制命令分别与其对应的各相实际电流进行比对、作差，得到电机定子电压控制命令v_a、v_b、v_c；(5)控制器的PWM信号产生模块对电机定子电压控制命令进行脉冲调制获得6路脉冲调制信号PWM1～PWM6，6路脉冲调制信号PWM1～PWM6输入三相逆变器。

其中，所述线性霍尔传感器的输出信号由三个线性霍尔传感器产生。

本发明提供的另一技术方案是一种空间微飞轮驱动控制***，包括电机，和线性霍尔传感器，所述线性霍尔传感器安装在所述电机上。

其中，所述线性霍尔传感器为三个，所述三个线性霍尔传感器端面水平，且在电机定子轴向保持高度一致，在电机定子轴的圆周方向的间距为三分之一极距。

其中，该空间微飞轮驱动控制***还包括控制器、三相逆变器和电流采样电路；所述控制器根据所述线性霍尔传感器的输出信号及所述电流采样电路采样的电机各相实际电流输出6路脉冲调制信号，6路脉冲调制信号输入所述三相逆变器，控制所述三相逆变器的各相电流输出。

其中，所述控制器包括速度计算模块、位置计算模块、位置控制模块、速度控制模块、电流控制模块和PWM信号产生模块；所述线性霍尔传感器的输出信号分别输入所述速度计算模块、位置计算模块和电流控制模块；所述电流采样电路采样的电机各相实际电流输入所述电流控制模块；所述位置控制模块与所述位置计算模块连接；所述速度控制模块分别与所述速度计算模块、位置控制模块和电流控制模块连接；所述电流控制模块与所述PWM信号产生模块连接；所述PWM信号产生模块产生6路脉冲调制信号输入所述三相逆变器。

本发明的空间微飞轮驱动控制方法及驱动控制***，采用线性霍尔传感器检测电机转子的转速和位置，将线性霍尔传感器的输出信号(H_a、H_b和H_c)用作电机定子相电流控制命令的参考信号，直接在静止二轴坐标系中产生各相电流控制命令，省去了静止二轴坐标系与同步旋转两轴坐标系之间繁琐的CLARK-PARK变换和PARK-CALRK逆变换运算，降低了磁场定向控制算法的实现难度，减少了对存储和计算资源的要求，且运算精度高，控制性能好；

本发明的空间微飞轮驱动控制方法及驱动控制***，用线性霍尔传感器取代开关型霍尔传感器和增量式光电编码器，大大降低了成本，减少了安装工序和引线数量，提高了伺服***的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的空间微飞轮驱动控制***的框图。

图2是本发明实施例中控制器的电路图。

图3是本发明实施例中三相逆变器的电路图。

图4是本发明实施例中电流采样电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的空间微飞轮驱动控制方法及驱动控制***作进一步详细说明。

图1所示为本发明的空间微飞轮驱动控制***的框图。该驱动控制***包括安装有线性霍尔传感器的电机10、控制器20、电流采样电路30和三相逆变器40。

在所述电机10的电机主体上安装三个线性霍尔传感器，安装时保证三个线性霍尔传感器端面水平，所述三个线性霍尔传感器在定子轴向保持高度一致，在定子轴的圆周方向的间距为三分之一极距。

继续参见图1，所述控制器20包括速度计算模块21、位置计算模块22、位置控制模块23、速度控制模块24、电流控制模块25和PWM信号产生模块26。

所述速度计算模块21接收三个线性霍尔传感器12的输出信号(分别为H_a、H_b和H_c)，并根据三个线性霍尔传感器的输出信号计算出电机转子相对电机定子的转速ω(线性霍尔传感器的输出信号反映电机转子相对电机定子转动的角度θ)。

所述位置计算模块22接收三个线性霍尔传感器12的输出信号(分别为H_a、H_b和H_c)，并根据三个线性霍尔传感器的输出信号计算出电机转子的位置P。

所述位置控制模块23接收所述位置计算模块22输出的电机转子位置信号(电机转子实际位置)，将该电机转子位置信号与位置设定信号P_*(事先预设在所述速度控制模块24内的)进行比对、作差，经过相关运算后获得与电机转子转速控制有关的信号ω_*，相关运算例如微分。

所述速度控制模块24接收所述速度计算模块21输出的电机转子转速信号(电机转子实际转速)和所述位置控制模块23的输出信号ω_*，将所述速度计算模块21输出的电机转子转速信号与所述位置控制模块23的输出信号ω_*进行比对、作差，经过相关运算后获得转矩电流命令I_s。

上述获得转矩电流命令I_s的过程为已知技术(参照现有技术中三相直流无刷电机伺服***中的三环控制思想，所述三环为速度环、位置环和电流环)，因此本发明只作简单介绍，对其中涉及的计算方法、相关运算均不展开详细说明，但这并不影响本领域技术人员实施本发明。

所述电流控制模块25接收所述速度控制模块24输出的转矩电流命令I_s以及三个线性霍尔传感器12的输出信号(分别为H_a、H_b和H_c)，将转矩电流命令I_s与线性霍尔传感器的输出信号相乘，产生各相电流控制命令i_as、i_bs、i_cs；所述电流采样电路30采样电机各相实际电流i_a、i_b、i_c，并输送给所述电流控制模块25；所述电流控制模块25将各相电流控制命令(i_as、i_bs、i_cs)分别与其对应的各相实际电流(i_a、i_b、i_c)进行比对、作差(即i_as与i_a进行比对、作差，i_bs与i_b进行比对、作差，i_cs与i_c进行比对、作差)，经过相关运算得到电机定子电压控制命令v_a、v_b、v_c，相关运算为电流乘电阻。

所述PWM信号产生模块26接收所述电流控制模块25输出的电机定子电压控制命令(v_a、v_b、v_c)，并进行脉冲调制获得6路脉冲调制信号PWM1～PWM6，6路脉冲调制信号PWM1～PWM6输入所述三相逆变器40，控制所述三相逆变器40的各相电流输出(也就是电机各相实际电流)，从而驱动控制所述电机10运行，通过所述电机10驱动控制空间微飞轮的动作。

线性霍尔传感器处于正弦波气隙磁场中时，其输出电压信号不但与气隙磁场分布的波形相同，而且与反电动势波形的频率相同、相位差为定值。本发明利用这个特点，将线性霍尔传感器的输出信号(H_a、H_b和H_c)用作电机定子相电流控制命令的参考信号，省去了静止二轴坐标系与同步旋转两轴坐标系之间繁琐的CLARK-PARK变换和PARK-CALRK逆变换运算，直接在静止二轴坐标系中产生各相电流控制命令，降低了磁场定向控制算法的实现难度，减少了对存储和计算资源的要求，且运算精度高，控制性能好。

本发明的发明点在于采用线性霍尔传感器检测电机转子的转速和位置，因此，可将线性霍尔传感器的输出信号(H_a、H_b和H_c)直接用作电机定子相电流控制命令的参考信号，期间涉及的运算及信号调制，例如得到电机定子电压控制命令v_a、v_b、v_c的具体运算步骤，所述PWM信号产生模块26对电机定子电压控制命令(v_a、v_b、v_c)进行的脉冲调制，都可采用现有技术。

较佳地，线性霍尔传感器的输出信号经过调理后输入所述控制器20，所述调理例如对线性霍尔传感器的输出信号进行过滤，以提高线性霍尔传感器输出信号的质量；线性霍尔传感器的输出信号为模拟信号，而所述控制器20通常处理的是数字信号，因此，线性霍尔传感器的输出信号输入所述控制器20前先要进行模数转换，当然也可以将模数转换器集成在控制器中。

本发明一较佳实施例中，所述控制器20采用STM32F103C8T6芯片，该芯片如图2所示。该控制器芯片具有3对6路相位互补的PWM接口，可用于无刷电机驱动桥的开关信号。该控制器芯片通用定时器具有霍尔传感器接口，可以轻松地采用定时器判断无刷电机的换相。该控制器芯片通用I/O引脚可以作为模拟信号的输入口，内部设有12位A/D转换器，可直接与线性霍尔传感器连接。

微控制器的工作频率由外部晶振经过PLL倍频后得到，最高工作频率可以达到72MHz。内部RAM和ROM满足程序要求，无需扩展，大大减少了电路的空间。

该控制器芯片作为驱动控制***的核心，主要完成电机的逻辑换相、对各类信息综合处理后通过PWM控制实现电机的速度及转矩控制、实现转速闭环控制、实现平滑的软启动、完成各类保护动作(包括电流保护、运转异常保护、传感器信号故障保护等)、完成模拟信号的A/D转换和采集、完成与上位机的数字通讯并执行上位机指令等。

图3所示为本发明一较佳实施例中三相逆变器的电路图，图3只显示了其中一相，其他两相完全相同，故省略。本实施例中所述三相逆变器40采用三相全桥驱动，整个驱动回路采用MOSFET构成的三相全桥同时配以全桥驱动回路实现，MOSFET采用集成了两个N沟道场效应管的芯片，极大得减小了电路的体积，内部集成的场效应管的额定电流分别达到了8.6A和6.3A，考虑到电机驱动电流＜500mA，所以芯片完全能达到电路使用要求，并且由于其发热量小，芯片也不用带专用散热片或贴金属外壳安装。全桥驱动回路采用全桥驱动器来实现，其芯片本身带有输出相序的逻辑互锁功能，能有效防止三相全桥驱动的误导通带来的电机或驱动管的损坏。

图4所示为本发明一较佳实施例中电流采样电路的电路图。控制电路对飞轮电机电流限流500mA设计，超过500mA电流时DSP关断其控制上下桥的SVPWM输出，使得飞轮电机最大平均电流不超过500mA。

Claims (5)

1.空间微飞轮驱动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)控制器的速度控制模块根据线性霍尔传感器的输出信号输出转矩电流命令I_s；

(2)控制器的电流控制模块将转矩电流命令I_s与线性霍尔传感器的输出信号相乘，产生各相电流控制命令i_as、i_bs、i_cs；

(3)电流采样电路采样电机各相实际电流i_a、i_b、i_c，并输送给所述电流控制模块；

(4)所述电流控制模块将各相电流控制命令分别与其对应的各相实际电流进行比对、作差，得到电机定子电压控制命令v_a、v_b、v_c；

(5)控制器的PWM信号产生模块对电机定子电压控制命令进行脉冲调制获得6路脉冲调制信号PWM1～PWM6，6路脉冲调制信号PWM1～PWM6输入三相逆变器，控制所述三相逆变器的各相电流输出，从而驱动控制电机运行，通过电机驱动控制空间微飞轮的动作。

2.如权利要求1所述的空间微飞轮驱动控制方法，其特征在于，所述线性霍尔传感器的输出信号由三个线性霍尔传感器产生。

3.空间微飞轮驱动控制***，包括电机，其特征在于，该空间微飞轮驱动控制***还包括线性霍尔传感器、控制器、三相逆变器和电流采样电路，所述线性霍尔传感器安装在所述电机上；

所述控制器根据所述线性霍尔传感器的输出信号及所述电流采样电路采样的电机各相实际电流输出6路脉冲调制信号，6路脉冲调制信号输入所述三相逆变器，控制所述三相逆变器的各相电流输出，从而驱动控制电机运行，通过电机驱动控制空间微飞轮的动作。

4.如权利要求3所述的空间微飞轮驱动控制***，其特征在于，所述线性霍尔传感器为三个，所述三个线性霍尔传感器端面水平，且在电机定子轴向保持高度一致，在电机定子轴的圆周方向的间距为三分之一极距。

5.如权利要求3所述的空间微飞轮驱动控制***，其特征在于，所述控制器包括速度计算模块、位置计算模块、位置控制模块、速度控制模块、电流控制模块和PWM信号产生模块；

所述线性霍尔传感器的输出信号分别输入所述速度计算模块、位置计算模块和电流控制模块；

所述电流采样电路采样的电机各相实际电流输入所述电流控制模块；

所述位置控制模块与所述位置计算模块连接；

所述速度控制模块分别与所述速度计算模块、位置控制模块和电流控制模块连接；

所述电流控制模块与所述PWM信号产生模块连接；

所述PWM信号产生模块产生6路脉冲调制信号输入所述三相逆变器。