專利名稱：一種低功耗磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低功耗磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)，用于小電樞電感永磁無(wú) 刷直流電動(dòng)機(jī)的的低功耗控制，特別適用于衛(wèi)星、空間站等航天器姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng) 部件的低功耗控制。
技術(shù)背景衛(wèi)星、空間站等航天器上的能源有限，所以需要其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件功耗要低，以便 于節(jié)省能源?？刂屏赝勇菔谴笮秃教炱骱涂臻g站上重要的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，磁懸浮控制 力矩陀螺又以其輸出力矩大、功耗低的優(yōu)點(diǎn)而具有廣闊的應(yīng)用前景。高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是磁懸浮 控制力矩陀螺的重要部件，磁懸浮控制力矩陀螺的高速轉(zhuǎn)子一般轉(zhuǎn)速都達(dá)到20000rpm，因此 高速轉(zhuǎn)子電機(jī)的功耗問(wèn)題是需要解決的一個(gè)難題?，F(xiàn)有的高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用的是小電樞電感永磁無(wú)刷直流電機(jī)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 電路一般由穩(wěn)壓直流電源直接加三相逆變橋，采用脈寬調(diào)制PWM方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。由于 電機(jī)繞組電感很小，當(dāng)采用頻率很高的PWM進(jìn)行調(diào)制的時(shí)候，繞組中的電流也隨著PWM的頻 率高頻的變化，因此引起的渦流損耗很大。加大繞組中的電感，降低供電電壓可以減小渦流 損耗，但是這樣又降低了電機(jī)的功率因數(shù)。為了減小高速轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)渦流損耗，減小繞組 中電流變化的波動(dòng)量是最好辦法。提高PWM頻率，依靠繞組內(nèi)的小電感可以使電流變的平滑， 但是，依靠傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路，逆變橋中開關(guān)管的開關(guān)損耗會(huì)因此而增大，當(dāng)PWM頻率達(dá)到一 定大小的時(shí)候，開關(guān)管會(huì)因?yàn)閬?lái)不及散熱而燒壞。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種渦流損耗小、控制帶寬高的 用于磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)的低功耗控制系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種低功耗磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)，包括穩(wěn) 壓直流電源、小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、數(shù)字控制器、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路、三 相逆變橋，其特點(diǎn)在于在穩(wěn)壓直流電源和三相逆變橋之間加入軟開關(guān)橋，通過(guò)軟開關(guān)橋的 諧振作用，使三相逆變橋的開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)；同時(shí)在穩(wěn)壓直流電源與軟開關(guān)橋之間串 入電流傳感器，電流傳感器采集的小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路 和A/D轉(zhuǎn)換電路后進(jìn)入數(shù)字控制器，作為電流環(huán)的反饋值；小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) 帶有霍爾傳感器，霍爾信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后進(jìn)入數(shù)字控制器，提供電流換相時(shí)刻及計(jì)算速率的基準(zhǔn)；數(shù)字控制器接收到電流信號(hào)按照控制算法計(jì)算出控制電機(jī)電流的PWM占空比，接收 到霍爾信號(hào)后按照換向邏輯給定PWM的輸出邏輯，從而控制三相逆變橋和軟開關(guān)橋中的開關(guān) 管。所述的軟開關(guān)橋由MOSFET管Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12,電感L0、 Ll、 L2及電容C0、 Cl、 C2組成,其中M0SFET管Q7、 Q8、 Q9組成軟開關(guān)橋的上橋臂，M0SFET管QIO、 Qll、 Q12 組成軟開關(guān)橋的下橋臂，L0、 C0、 Q7、 Q10及三相逆變橋的Q1、 Q4組成A相軟開關(guān)電路；Ll、 Cl、 Q8、 Q11及三相逆變橋的Q3、 Q6組成B相軟開關(guān)電路；L2、 C2、 Q9、 Q12及三相逆變橋 的Q2、 Q5組成C相軟開關(guān)電路。所述的數(shù)字控制器(6)由浮點(diǎn)型CPU、外擴(kuò)存儲(chǔ)器和CPLD組成，其中CPLD包括數(shù)字 1/0、PWM生成模塊、A/D接口模塊及數(shù)字濾波模塊;浮點(diǎn)CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線和地址總線與CPLD 和外擴(kuò)存儲(chǔ)器相連，CPLD中通過(guò)VHDL編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字I/O、 PWM生成模塊、A/D接口模塊及數(shù) 字濾波模塊；A/D接口模塊通過(guò)CPLD的數(shù)據(jù)線將A/D轉(zhuǎn)換電路得到的電流采樣數(shù)據(jù)量采到 CPLD的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，并通過(guò)數(shù)字濾波模塊對(duì)采樣數(shù)據(jù)量進(jìn)行平均濾波，然后將經(jīng)過(guò)濾波后 的數(shù)據(jù)量存回CPLD的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中等待浮點(diǎn)CUP讀取。浮點(diǎn)型CPU通過(guò)地址總線訪問(wèn)CPLD， 浮點(diǎn)型CPU通過(guò)地址總線訪問(wèn)CPLD，通過(guò)數(shù)據(jù)總線獲得CPLD數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，然后經(jīng) 過(guò)控制算法后生成PWM占空比值并將其存到外擴(kuò)存儲(chǔ)器中，浮點(diǎn)CPU在接到CPLD取數(shù)信號(hào) 時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)總線和地址總線送給CPLD,同時(shí)與在CPLD中生成的由霍爾信號(hào)產(chǎn)生的換相邏輯 結(jié)合，在CPLD的PWM生成模塊中生成電機(jī)的三相逆變橋和軟開關(guān)橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于-(1) 本發(fā)明采用了軟開關(guān)橋，通過(guò)軟開關(guān)的諧振作用實(shí)現(xiàn)逆變橋中開關(guān)管的零電流的 轉(zhuǎn)換，降低開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高PWM的頻率，減小了永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組中電流的 波動(dòng)量，使得由PWM調(diào)制引起的電機(jī)的渦流損耗大大減小，節(jié)約了航天器的電力資源。(2) 與現(xiàn)有的數(shù)字控制系統(tǒng)相比，本發(fā)明采用浮點(diǎn)CPU和外擴(kuò)存儲(chǔ)器、數(shù)字1/0、 PWM 生成模塊及數(shù)字濾波模塊組成數(shù)字控制部分，利用浮點(diǎn)CPU可以提高控制過(guò)程中的運(yùn)算速度 和精度，特別適用于對(duì)控制精度要求很高的領(lǐng)域。(3) 與現(xiàn)有的數(shù)字控制系統(tǒng)相比，本發(fā)明的霍爾信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后進(jìn)入數(shù)字控制器 的濾波環(huán)節(jié)，省去了霍爾信號(hào)的模擬濾波和整形電路，降低了控制器的功耗。


圖l為本發(fā)明的原理框圖；圖2為本發(fā)明的數(shù)字控制器原理框圖；圖3為本發(fā)明的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理框圖；圖4為本發(fā)明的軟開關(guān)諧振原理圖；a為第一時(shí)間段工作狀態(tài)圖，b為第時(shí)間段工作狀 態(tài)圖，c為第三時(shí)間段工作狀態(tài)圖，d為第四時(shí)間段工作狀態(tài)圖，e為第五時(shí)間段工作狀態(tài)圖， f為第六時(shí)間段工作狀態(tài)圖，g為第七時(shí)間段工作狀態(tài)圖，h為第八時(shí)間段工作狀態(tài)圖。圖5為本發(fā)明的軟開關(guān)工作狀態(tài)時(shí)序圖；圖6為本發(fā)明的數(shù)字控制器軟件流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明包括穩(wěn)壓直流電源1、小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)5、數(shù)字控 制器6和三相逆變橋4，在穩(wěn)壓直流電源1和三相逆變橋4之間加入軟開關(guān)橋3，通過(guò)軟開 關(guān)橋3的諧振作用，使三相逆變橋4的開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，在穩(wěn)壓直流電源l與軟開關(guān) 橋3之間串入電流傳感器2，采集電機(jī)直流母線電流，所采集的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路7后進(jìn)入數(shù)字控制器6，作為電流環(huán)的反饋值，小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)5 帶有霍爾傳感器8，霍爾信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后進(jìn)入數(shù)字控制系統(tǒng)，提供電流換相時(shí)機(jī)及計(jì)算 速率的基準(zhǔn)。數(shù)字控制器6接收到電流信號(hào)按照控制算法計(jì)算出控制電機(jī)電流的PWM占空比， 接收到霍爾信號(hào)后按照換向邏輯給定PWM1-12的輸出邏輯，從而控制三相逆變橋4和軟開關(guān) 橋3中的開關(guān)管。軟開關(guān)橋3由Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12， 6個(gè)M0SFET管，3個(gè)電感，L0、 Ll、 L2及 3個(gè)電容C0、 Cl、 C2組成，其中Q7、 Q8、 Q9組成軟開關(guān)橋的上橋臂，QIO、 Qll、 Q12組成 軟開關(guān)橋的下橋臂。如圖3、圖4和圖5所示，本發(fā)明中的小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) (5)驅(qū)動(dòng)由軟開關(guān)橋3和三相逆變橋4實(shí)現(xiàn)，串聯(lián)的LO、 C0， Ll、 Cl， L2、 C2為諧振元件， 通過(guò)它們的諧振作用使三相逆變橋(4)中的開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流轉(zhuǎn)換。由于全橋各相軟開關(guān) 獨(dú)立諧振，互不干擾，因此以一相橋臂為例對(duì)其工作原理進(jìn)行分析。Ql、 Q4為電機(jī)逆變橋中 的MOSFET管，Q7、 Q10為軟開關(guān)橋中的MOSFET管，UC為諧振電容CO兩端的電壓，UC0為諧 振電容CO兩端初始電壓，IL為諧振電感上的電流，IO為電機(jī)繞組的電流，VSx為開關(guān)管， VDx為二級(jí)管，每一個(gè)Qx都包含一個(gè)VSx和一個(gè)VDx，現(xiàn)進(jìn)行以下四點(diǎn)假設(shè)。(1) 所有開關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想元件；(2) 在逆變開關(guān)管轉(zhuǎn)換的時(shí)間內(nèi)，橋臂的輸出電流，即輸出濾波電感上的電流變化很 小，故假設(shè)逆變開關(guān)管轉(zhuǎn)換周期內(nèi)濾波電感電流為恒流源IL0;(3) 諧振電感L0上的電流IL、諧振電容C0的電壓UC和電機(jī)繞組電流10的參考方向；(4) 初始時(shí)刻tO時(shí)的狀態(tài)為:電源電壓Udc, I0〉0， IL=0, UC=UC0〉0， VS1、 VS7、 VS10 關(guān)斷，VS4開通，電流I0經(jīng)VD4續(xù)流。工作過(guò)程可以分為以下8個(gè)狀態(tài)如圖4所示a. 狀態(tài)1 [t0， t2]此時(shí)VS1、 VS4、 VS7關(guān)斷，VS10開通。電機(jī)電流IO由VSIO， LO， CO， VD4組成的諧振 網(wǎng)絡(luò)提供，此過(guò)程由PWM10控制VS10零電流開通，零電流關(guān)斷。b. 狀態(tài)2 [t2， t3]此時(shí)VS1、 VS4、 VS7、 VS10關(guān)斷。電機(jī)電流IO由VDIO， LO， CO組成的諧振網(wǎng)絡(luò)提供。c. 狀態(tài)3 [t3， t4]此時(shí)VS4、 VS7、 VS10關(guān)斷，由PWM1控制VS1開通。電機(jī)電流10由VDIO、 LO、 CO網(wǎng)絡(luò) 與VS1、 Udc網(wǎng)絡(luò)共同決定，t3時(shí)刻VSl零電流開通。d. 狀態(tài)4 [t4， t5]此時(shí)VS4、 VS7、 VS10關(guān)斷，VS1開通。電機(jī)進(jìn)入正常工作模式，電機(jī)電流I0由VS1提供。e. 狀態(tài)5 [t5， t7]此時(shí)VS4、 VS10關(guān)斷，VS1、 VS7開通。電機(jī)電流10由VS1、 Udc網(wǎng)絡(luò)與VS7、 LO、 CO 組成的網(wǎng)絡(luò)共同提供，由PWM7控制VS7零電流開通。f. 狀態(tài)6 [t7， t8]此時(shí)VS1、 VS4、 VS10關(guān)斷，VS7開通。電機(jī)電流10由Udc、 VS7、 LO、 CO組成的網(wǎng)絡(luò)提 供，由PWM1控制VS1零電流關(guān)斷。g. 狀態(tài)7 [t8， t10]此時(shí)VS1、 VS4、 VS10關(guān)斷，VS7開通。t8 t9時(shí)刻，電機(jī)電流10由Udc、 VS7、 LO、 CO 組成的網(wǎng)絡(luò)與VD4的回路網(wǎng)絡(luò)共同提供；t9、10時(shí)刻電機(jī)電流10由Udc、 VD7、 LO、 CO組成 的網(wǎng)絡(luò)與VD4的回路網(wǎng)絡(luò)共同提供，由PWM7控制VS7零電流關(guān)斷。h. 狀態(tài)8 [t10， ]此時(shí)VS1、 VS4、 VS7、 VS10關(guān)斷、電機(jī)電流10由VD4的回路網(wǎng)絡(luò)提供，電路回到初始狀態(tài)。如圖2所示，所述的數(shù)字控制器6由浮點(diǎn)型CPU(TMS320VC33)、外擴(kuò)存儲(chǔ)器和CPLD組 成，其中CPLD包括數(shù)字I/O、 PWM生成模塊、A/D接口模塊及數(shù)字濾波模塊組成。浮點(diǎn)CPU 通過(guò)數(shù)據(jù)總線和地址總線與CPLD和外擴(kuò)存儲(chǔ)器相連。CPLD中通過(guò)VHDL編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字1/0、 PWM生成模塊、A/D接口模塊及數(shù)字濾波模塊。PWM生成模塊是通過(guò)用VHDL實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘計(jì)數(shù) 器與PWM占空比值比較實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于PWM占空比值時(shí)PWM輸出模塊為低，當(dāng)計(jì)數(shù)值 大于PWM占空比值時(shí)PWM輸出模塊為高；A/D接口模塊為在CPLD中開辟的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間； 數(shù)字濾波模塊是用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的平均濾波。A/D接口模塊通過(guò)CPLD的數(shù)據(jù)線將A/D轉(zhuǎn)換電路得到的電流采樣數(shù)據(jù)量采到CPLD的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，并通過(guò)數(shù)字濾波模塊對(duì)采樣數(shù)據(jù)量 進(jìn)行平均濾波，然后將經(jīng)過(guò)濾波后的數(shù)據(jù)量存回CPLD的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中等待浮點(diǎn)CUP讀取。 浮點(diǎn)型CPU通過(guò)地址總線訪問(wèn)CPLD，通過(guò)數(shù)據(jù)總線獲得CPLD數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，然后經(jīng) 過(guò)控制算法后生成PWM占空比值并將其存到外擴(kuò)存儲(chǔ)器中，浮點(diǎn)CPU在接到CPLD取數(shù)信號(hào) 財(cái)通過(guò)數(shù)據(jù)總線和地址總線送給CPLD，同時(shí)與在CPLD中生成的由霍爾信號(hào)產(chǎn)生的換相邏輯 結(jié)合，在CPLD的PWM生成模塊中生成電機(jī)的三相逆變橋和軟開關(guān)橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖3、圖4和圖5所示，本發(fā)明的軟開關(guān)橋和三相逆變橋，由于全橋各相軟開關(guān)獨(dú)立 諧振，互不干擾，因此以一相橋臂為例對(duì)其工作原理進(jìn)行分析。Ql、 Q4為電機(jī)逆變橋中的 M0SFET管，Q7、 Q10為軟開關(guān)橋中的M0SFET管，Uc為諧振電容C0兩端的電壓，IU為諧振電 容CO兩端初始電壓，L為諧振電感上的電流，1。為電機(jī)繞組的電流，VSx為開關(guān)管，VDx為 二級(jí)管，每一個(gè)Qx都包含一個(gè)VSx和一個(gè)VDx，現(xiàn)進(jìn)行以下四點(diǎn)假設(shè)。(1) 所有開關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想元件；(2) 在逆變開關(guān)管轉(zhuǎn)換的時(shí)間內(nèi)，橋臂的輸出電流，即輸出濾波電感上的電流變化很 小，故假設(shè)逆變開關(guān)管轉(zhuǎn)換周期內(nèi)濾波電感電流為恒流源L。；(3) 諧振電感LO上的電流L、諧振電容CO的電壓Uc和電機(jī)繞組電流I。的參考方向；(4) 初始時(shí)刻t0時(shí)的狀態(tài)為電源電壓Udc， I?！?， IL=0， UcU VS1、 VS7、 VS10 關(guān)斷，VS4開通，電流I。經(jīng)VD4續(xù)流。工作過(guò)程可以分為以下8個(gè)狀態(tài)如圖4所示a. 狀態(tài)1 [t0， t2]此時(shí)VS1、 VS4、 VS7關(guān)斷，VS10開通。電機(jī)電流I。由VS10， LO， CO, VD4組成的諧振 網(wǎng)絡(luò)提供，此過(guò)程由PWM10控制VS10零電流開通，零電流關(guān)斷。b. 狀態(tài)2 [t2， t3]此時(shí)VS1、 VS4、 VS7、 VS10關(guān)斷。電機(jī)電流I。由VD10， LO， CO組成的諧振網(wǎng)絡(luò)提供。c. 狀態(tài)3 [t3， t4]此時(shí)VS4、 VS7、 VS10關(guān)斷，由PWM1控制VS1開通。電機(jī)電流1。由VDIO、 LO、 CO網(wǎng)絡(luò) 與VS1、 IL網(wǎng)絡(luò)共同決定，t3時(shí)刻VSl零電流開通。d. 狀態(tài)4 [t4， t5]此時(shí)VS4、 VS7、 VS10關(guān)斷，VS1開通。電機(jī)進(jìn)入正常工作模式，電機(jī)電流1。由VS1提供。e. 狀態(tài)5 [t5， t7]此時(shí)VS4、 VS10關(guān)斷，VS1、 VS7開通。電機(jī)電流I。由VS1、 IL網(wǎng)絡(luò)與VS7、 LO、 CO組成的網(wǎng)絡(luò)共同提供，由PWM7控制VS7零電流開通。f. 狀態(tài)6 [t7, t8]此時(shí)VS1、 VS4、 VS10關(guān)斷，VS7開通。電機(jī)電流I。由Ud。、 VS7、 LO、 CO組成的網(wǎng)絡(luò)提 供，由PWM1控制VS1零電流關(guān)斷。g. 狀態(tài)7 [t8， t10]此時(shí)VS1、 VS4、 VS10關(guān)斷，VS7開通。t8 t9時(shí)刻，電機(jī)電流I。由IU、 VS7、 LO、 CO組 成的網(wǎng)絡(luò)與VD4的回路網(wǎng)絡(luò)共同提供；t9、10時(shí)刻電機(jī)電流1。由IL、 VD7、 LO、 CO組成的 網(wǎng)絡(luò)與VD4的回路網(wǎng)絡(luò)共同提供，由PWM7控制VS7零電流關(guān)斷。h. 狀態(tài)8 [t10， ]此時(shí)VS1、 VS4、 VS7、 VS10關(guān)斷。電機(jī)電流I。由VD4的回路網(wǎng)絡(luò)提供，電路回到初始狀態(tài)。如圖6所示為本發(fā)明的數(shù)字控制器6的實(shí)現(xiàn)流程圖，系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化操作， 然后判斷是不是有中斷，沒(méi)有中斷時(shí)進(jìn)入空循環(huán)等待。當(dāng)有中斷時(shí)，首先進(jìn)行中斷類型的判 斷。共有兩種類型的中斷，電流環(huán)定時(shí)中斷和速率環(huán)定時(shí)中斷。速率環(huán)的計(jì)算輸出的速率參 考值送到電流環(huán)的入口，電流環(huán)計(jì)算輸出PWM占空比最后調(diào)整電流的大小。
權(quán)利要求
1. 一種低功耗磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)，包括穩(wěn)壓直流電源(1)、小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(5)、數(shù)字控制器(6)、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路(7)、三相逆變橋(4)，其特征在于在穩(wěn)壓直流電源(1)和三相逆變橋(4)之間加入軟開關(guān)橋(3)，通過(guò)軟開關(guān)橋(3)的諧振作用，使三相逆變橋(4)的開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)；同時(shí)在穩(wěn)壓直流電源(1)與軟開關(guān)橋(3)之間串入電流傳感器(2)，電流傳感器(2)采集的小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(5)的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路(7)后進(jìn)入數(shù)字控制器(6)，作為電流環(huán)的反饋值；小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(5)帶有霍爾傳感器(8)，霍爾信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后進(jìn)入數(shù)字控制器(6)，提供電流換相時(shí)刻及計(jì)算速率的基準(zhǔn)，數(shù)字控制器(6)接收到電流信號(hào)按照控制算法計(jì)算出控制電機(jī)電流的PWM占空比，接收到霍爾信號(hào)后按照換向邏輯給定PWM的輸出邏輯，從而控制三相逆變橋(4)和軟開關(guān)橋(3)中的開關(guān)管。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)，其特征 在于所述的軟開關(guān)橋(3)由M0SFET管Q7、 Q8、 Q9、 QIO、 Qll、 Q12，電感L0、 Ll、 L2 及電容C0、 Cl、 C2組成，其中M0SFET管Q7、 Q8、 Q9組成軟開關(guān)橋的上橋臂，M0SFET管QIO、 Qll、 Q12組成軟開關(guān)橋的下橋臂，L0、 C0、 Q7、 Q10及三相逆變橋的Ql、 Q4組成A相軟開 關(guān)電路；Ll、 Cl、 Q8、 Qll及三相逆變橋的Q3、 Q6組成B相軟開關(guān)電路；L2、 C2、 Q9、 Q12 及三相逆變橋的Q2、 Q5組成C相軟開關(guān)電路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)，其特征 在于所述的數(shù)字控制器(6)由浮點(diǎn)型CPU、外擴(kuò)存儲(chǔ)器和CPLD組成，其中CPLD包括數(shù)字 1/0、PWM生成模塊、A/D接口模塊及數(shù)字濾波模塊;浮點(diǎn)CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線和地址總線與CPLD 和外擴(kuò)存儲(chǔ)器相連，CPLD中通過(guò)VHDL編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字1/0、 PWM生成模塊、A/D接口模塊及數(shù) 字濾波模塊；A/D接口模塊通過(guò)CPLD的數(shù)據(jù)線將A/D轉(zhuǎn)換電路得到的電流采樣數(shù)據(jù)量采到 CPLD的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，并通過(guò)數(shù)字濾波模塊對(duì)采樣數(shù)據(jù)量進(jìn)行平均濾波，然后將經(jīng)過(guò)濾波后 的數(shù)據(jù)量存回CPLD的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中等待浮點(diǎn)CUP讀??；浮點(diǎn)型CPU通過(guò)地址總線訪問(wèn)CPLD, 通過(guò)數(shù)據(jù)總線獲得CPLD數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)控制算法后生成PWM占空比值并將 其存到外擴(kuò)存儲(chǔ)器中，浮點(diǎn)CPU在接到CPLD取數(shù)信號(hào)時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)總線和地址總線送給CPLD， 同時(shí)與在CPLD中生成的由霍爾信號(hào)產(chǎn)生的換相邏輯結(jié)合，在CPLD的PWM生成模塊中生成電 機(jī)的三相逆變橋和軟開關(guān)橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)，其特征在于所述的小電樞龜感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(5)驅(qū)動(dòng)由軟開關(guān)橋(3)和三相逆變橋(4) 實(shí)現(xiàn)，串聯(lián)的L0、 C0， Ll、 Cl， L2、 C2為諧振元件，通過(guò)它們的諧振作用使三相逆變橋(4) 中的開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流轉(zhuǎn)換。
全文摘要
一種低功耗磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)，它主要由軟開關(guān)橋、三相逆變橋、小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、電流濾波及A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字控制器等部件組成。本發(fā)明針對(duì)小電樞電感永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，采用軟開關(guān)橋加三相逆變橋組成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，提高了驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率，從根本上解決了由電機(jī)繞組中電流高頻變化而引起的渦流損耗，提高了控制系統(tǒng)的帶寬，減小了電樞反應(yīng)和電磁干擾，提高了磁懸浮控制力矩陀螺高速控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率，對(duì)注重節(jié)能的航天器有很高的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01C19/24GK101270987SQ20081011172
公開日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2008年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日
發(fā)明者于靈慧, 劉曉源, 房建成, 李海濤, 王宗省, 郭方正 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)