專利名稱：一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)，可用于在輸入電壓不變的情況下 擴(kuò)展衛(wèi)星等航天器姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大加速力矩。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星等航天器的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)有時(shí)需要較大的輸出轉(zhuǎn)矩，且其驅(qū)動部件要求功 耗低，以便充分利用航天器有限的電力能源。為了實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展衛(wèi)星等航天器的姿態(tài)控制執(zhí) 行機(jī)構(gòu)的最大加速力矩，通常采用增加永磁無刷直流電動機(jī)力矩系數(shù)來實(shí)現(xiàn)，但反電動 勢將增加到穩(wěn)恒直流電源電壓的數(shù)倍，在不增加輸入電壓的情況下，需要進(jìn)行升壓變換 以驅(qū)動永磁無刷直流電動機(jī)；同時(shí)，在永磁無刷直流電動機(jī)升速過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)， 永磁無刷直流電動機(jī)反電動勢低于穩(wěn)恒直流電源電壓，需要進(jìn)行降壓變換以驅(qū)動電機(jī)。 目前的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動部件，多由穩(wěn)恒直流電源直接加至由功率器件組成的三 相逆變橋中，通過數(shù)字控制器采樣位置信號、轉(zhuǎn)速信號和電流信號，采用PWM調(diào)制方 式對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。這種結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部件其直流側(cè)供電電壓恒定，無法根據(jù)需要任意 調(diào)整加在永磁無刷直流電動機(jī)定子繞組兩端的驅(qū)動電壓，當(dāng)永磁無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速較低時(shí)，驅(qū)動電壓過高，只能通過能耗單元將過高的驅(qū)動電壓能源消耗掉，功耗增加， 造成不必要的浪費(fèi)；當(dāng)增大永磁無刷直流電動機(jī)輸出力矩時(shí)，只能靠增大輸入電壓來提 高永磁無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動電壓，功耗也相應(yīng)較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī) 控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)不需改變輸入電壓且不影響總體功耗。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是由穩(wěn)恒直流電源、Qlk升降壓變換器、能耗單元、三相 星型半橋、永磁無刷直流電動機(jī)、位置檢測裝置和數(shù)字控制器組成，穩(wěn)恒直流電源提供 給Cuk升降壓變換器一個(gè)恒定電壓，Cuk升降壓變換器后經(jīng)能耗單元、檢測電阻R和三 相星型半橋接永磁無刷直流電動機(jī)，Cuk升降壓變換器用于對穩(wěn)恒直流電源輸出電壓進(jìn) 行升降壓變換，能耗單元用于降速過程中的能耗制動，檢測電阻R在三相星型半橋與地 之間，用于檢測永磁無刷直流電動機(jī)繞組電流，通過三相星型半橋?qū)τ来艧o刷直流電動
機(jī)進(jìn)行換相控制，位置檢測裝置用于檢測永磁無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，將其送入 數(shù)字控制器，在數(shù)字控制器中根據(jù)換相表產(chǎn)生PWM1 PWM3信號用于控制三相星型半 控橋，同時(shí)數(shù)字控制器對永磁無刷直流電動機(jī)繞組電流和Cuk升降壓變換器輸出電壓進(jìn) 行采樣，并經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換成PWM4信號和PWM5信號，其中PWM4信號 用于控制能耗單元，PWM5信號用于控制Cuk升降壓變換器的變壓比,.且隨著永磁無刷 直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化實(shí)時(shí)調(diào)整Cuk升降壓變換器變壓比以控制永磁無刷直流電 動機(jī)的驅(qū)動電壓。
所述的Cuk升降壓變換器包括輸入濾波電感、自關(guān)斷功率器件、輸入濾波電解電容、 快恢復(fù)功率二極管、tr出濾波電感和輸出濾波電解電容，其中輸入濾波電感一端接穩(wěn)恒 直流電源的輸出端，另一端接自關(guān)斷功率器件的漏極和輸入濾波電解電容，輸入濾波電 解電容輸出端接快恢復(fù)二極管的陽極和輸出濾波電感的輸入端，輸出濾波電感的輸出端 接輸出濾波電解電容和永磁無刷直流電動機(jī)中線，自關(guān)斷功率器件源極、快恢復(fù)二極管 的陰極、輸出濾波電解電容的輸出端均接地，其中輸入濾波電解電容用于能量傳遞并和 輸入濾波電感對穩(wěn)恒直流電源電壓進(jìn)行濾波，輸出濾波電感和輸出濾波電解電容用于儲 能并對輸出電壓進(jìn)行濾波，通過控制自關(guān)斷功率器件導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間對Cuk升降壓變換 器變壓比進(jìn)行調(diào)整。
所述的能耗單元包括一個(gè)功率電阻和一個(gè)自關(guān)斷功率器件，其中功率電阻的一端接 定子繞組中線，在能耗制動過程中用于消耗永磁無刷直流電動機(jī)反電動勢產(chǎn)生的能量， 另一端接自關(guān)斷功率器件的漏極，自關(guān)斷功率器件源極接地。
所述的三相星型半橋包括三個(gè)自關(guān)斷功率器件，其漏極分別接永磁無刷直流電動機(jī) 的三相繞組，通過調(diào)整三個(gè)自關(guān)斷功率器件的開通與關(guān)斷對永磁無刷直流電動機(jī)的換相 進(jìn)行控制，源極接檢測電阻R輸出端。
所述的位置檢測裝置由霍爾位置傳感器、低通濾波器和整形電路組成，霍爾位置傳 感器檢測永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，經(jīng)低通濾波器濾波、整形電路整形后輸出送 至數(shù)字控制器，用于控制永磁無刷直流電動機(jī)的換相及調(diào)速。
所述的數(shù)字控制器由DSP、 FPGA、 E2PROM、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字I/O組成，數(shù)字 1/0用于將位置檢測裝置輸出的永磁無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號傳給FPGA，在FPGA 中根據(jù)換相表生成PWMl PWM3信號用于控制三相星型半控橋，E^ROM用于存儲DSP 的運(yùn)算源程序，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對Cuk升降壓變換器輸出電壓、永磁無刷直流電動機(jī)繞組 電流、永磁無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行采樣，由FPGA讀取采樣值傳給DSP，經(jīng) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)后由FPGA生成PWM4信號和P^IV[5信號。
本發(fā)明的原理是通過增加永磁無刷直流電動機(jī)力矩系數(shù)，可以擴(kuò)展磁懸浮反作用 飛輪的最大加速力矩，且采用統(tǒng)一單位制時(shí)，永磁無刷直流電動機(jī)反電動勢常數(shù)與其力 矩系數(shù)在數(shù)值上相同，達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)速時(shí)，其反電動勢也增加，將高于穩(wěn)恒直流電源電 壓數(shù)倍，在不增加輸入電壓的情況下，需要進(jìn)行升壓變換以驅(qū)動永磁無刷直流電動機(jī)； 當(dāng)永磁無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時(shí)，永磁無刷直流電動機(jī)反電動勢低于穩(wěn)恒直流電 源電壓，在不改變輸入電壓的情況下，需要進(jìn)行降壓變換以驅(qū)動永磁無刷直流電動機(jī)。 本發(fā)明采用Cuk升降壓變換器對穩(wěn)恒直流電源電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，Cuk升降壓變換器工作在 電流連續(xù)導(dǎo)通模式時(shí)，其輸出電壓與輸入電壓呈線性關(guān)系，變壓比等于Cuk升降壓變換 電路中自關(guān)斷功率器件導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間之比，為使Cuk升降壓變換器工作在電流連 續(xù)導(dǎo)通模式下，須滿足如下關(guān)系
2Lfs/R^(l-D)2，其中L為輸入濾波電感與輸出濾波電感的并聯(lián)等效值，R為永磁無
刷直流電動機(jī)等效電阻，fe為調(diào)制頻率，D為自關(guān)斷功率器件導(dǎo)通比。控制原理如圖4
所示，本發(fā)明在永磁無刷直流電動機(jī)升速過程中，利用位置檢測裝置檢測的永磁無刷直
流電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)數(shù)字I/O送入FPGA，在FPGA中根據(jù)換相表產(chǎn)生三路換相信 號PWM1 PWM3輸出，通過控制三相星型半橋中三個(gè)自關(guān)斷功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷調(diào) 整各相導(dǎo)通時(shí)序，控制永磁無刷直流電動機(jī)的換相，同時(shí)該位置信號在DSP中經(jīng)過倍頻 補(bǔ)償與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采樣得到的繞組電流信號一起經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)得到一個(gè)電 流調(diào)節(jié)量并隨永磁無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化實(shí)時(shí)地進(jìn)行調(diào)整，最終由FPGA生成 PWM4信號和PWM5信號輸出，且PWM5信號由FPGA設(shè)置一載波對對其進(jìn)行調(diào)制， 調(diào)制頻率由系統(tǒng)晶振輸出時(shí)鐘頻率與FPGA72所設(shè)載波峰值的比值決定，其中PWM4 信號用于控制能耗單元，PWM5信號用于控制Oik升降壓變換器中自關(guān)斷功率器件導(dǎo)通 與關(guān)斷，從而控制其變壓比，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高(本發(fā)明中相對于轉(zhuǎn)速5000 r/min指高于 3000r/min)時(shí)，數(shù)字控制器輸出PWM5信號使自關(guān)斷功率器件導(dǎo)通比大于0.5,當(dāng)轉(zhuǎn)速 較低(本發(fā)明中相對于轉(zhuǎn)速5000r/min指低于3000r/min)時(shí)，自關(guān)斷功率器件導(dǎo)通比小 于0.5，即根據(jù)轉(zhuǎn)速變化調(diào)整Cuk升降壓變換器的變壓比，并把Cuk升降壓變換器的電 壓輸出提供給三相星型半橋?qū)τ来艧o刷直流電動機(jī)換相及調(diào)速進(jìn)行控制，在降速制動過 程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高(本發(fā)明中相對于轉(zhuǎn)速5000r/min指高于3000r/min)時(shí)，考慮到快恢 復(fù)功率二極管24及各個(gè)自關(guān)斷功率器件管壓降，永磁無刷直流電動機(jī)5反電動勢超過 28V， PWM4信號置高，切斷穩(wěn)恒直流電源，在永磁無刷直流電動機(jī)、能耗單元及三相 星型半控橋構(gòu)成的制動回路中，由功率電阻消耗永磁無刷直流電動機(jī)反電動勢產(chǎn)生的能 量，進(jìn)行能耗制動。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于根據(jù)轉(zhuǎn)速變化合理調(diào)整永磁無刷直流電動機(jī)驅(qū) 動電壓，可以在保證永磁無刷直流電動機(jī)輸入電壓不變的前提下，驅(qū)動較大力矩系數(shù)的 永磁無刷直流電動機(jī)，同時(shí)不增加總體功耗，所采用的Cuk升降壓變換器電路相比傳統(tǒng) 的功率驅(qū)動電路可以線性地跟隨永磁無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化任意調(diào)整變壓比，輸
入輸出電流均沒有脈動，且開關(guān)器件驅(qū)動電路相對簡單，對輸入電源干擾小。


圖1為本發(fā)明的原理框圖2為圖1的Cuk升降壓變換器結(jié)構(gòu)框圖； 圖3為圖1的數(shù)字控制器原理框圖； 圖4為本發(fā)明的運(yùn)算和控制原理圖。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例中，輸入穩(wěn)恒直流電壓28V，永磁無刷直流電動機(jī)5參考轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為 5000r/min,對應(yīng)的永磁無刷直流電動機(jī)5反電動勢設(shè)計(jì)為40V,為使Cuk升降壓變換器 2工作在電流連續(xù)導(dǎo)通模式下，須滿足2Lfs/R2(l-D)2，其中L為輸入濾波電感21與輸 出濾波電感25的并聯(lián)等效值，R為永磁無刷直流電動機(jī)5等效電阻，^為調(diào)制頻率，D 為自關(guān)斷功率器件導(dǎo)通比，本發(fā)明中L為0.25mH， R為IOQ， PWM5信號調(diào)制頻率設(shè) 為40K。
如圖1所示，本實(shí)施例由穩(wěn)恒直流電源1、 Cuk升降壓變換器2、能耗單元3、三相 星型半橋4、永磁無刷直流電動機(jī)5、位置檢測裝置6和數(shù)字控制器7組成，穩(wěn)恒直流 電源1提供給Cuk升降壓變換器2 —個(gè)恒定電壓，Cuk升降壓變換器2后經(jīng)能耗單元3、 檢測電阻R和三相星型半橋4接永磁無刷直流電動機(jī)5，用于對穩(wěn)恒直流電源1輸出電 壓進(jìn)行升降壓變換，能耗單元3用于降速過程中的能耗制動，檢測電阻R在三相星型半 橋4與地之間，用于檢測永磁無刷直流電動機(jī)繞組電流，通過三相星型半橋4對永磁無 刷直流電動機(jī)5進(jìn)行換相控制，位置檢測裝置6用于檢測永磁無刷直流電動機(jī)5轉(zhuǎn)子位 置信號，將其送人數(shù)字控制器7，在數(shù)字控制器7中根據(jù)換相表產(chǎn)生PWM1 PWM3信 號用于控制三相星型半控橋4，同時(shí)數(shù)字控制器7對永磁無刷直流電動機(jī)5繞組電流和 Cuk升降壓變換器2輸出電壓進(jìn)行采樣，并經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換成PWM4信號和 PWM5信號，其中PWM4信號用于控制能耗單元3， PWM5信號用于控制Cuk升降壓 變換器2的變壓比，且隨著永磁無刷直流電動機(jī)5轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化實(shí)時(shí)調(diào)整Cuk升降壓 變換器2變壓比以控制永磁無刷直流電動機(jī)5的驅(qū)動電壓。
如圖2所示，所述的Cuk升降壓變換器2包括輸入濾波電感21、自關(guān)斷功率器件
22、輸入濾波電解電容23、快恢復(fù)功率二極管24、輸出濾波電感25和輸出濾波電解電 容26，其中輸入濾波電感21和輸入濾波電解電容23對穩(wěn)恒直流電源1電壓進(jìn)行濾波及 能量傳遞，輸出濾波電感25和輸出濾波電解電容26對輸出電壓進(jìn)行濾波及儲能，為使 Cuk升降壓變換器2工作在電流連續(xù)導(dǎo)通模式下，須滿足2Lfs/R2(l-D)2，其中L為輸入 濾波電感21與輸出濾波電感25的并聯(lián)等效值，R為永磁無刷直流電動機(jī)5等效電阻， ^為調(diào)制頻率，D為自關(guān)斷功率器件導(dǎo)通比，本實(shí)施例輸入濾波電感21和輸出濾波電感 25電感值選0.5mH，輸入濾波電解電容23和輸出濾波電解電容26電容值選10pF，自 關(guān)斷功率器件22，耐壓高于穩(wěn)恒直流電源1輸入電壓與Cuk升降壓變換器2輸出電壓 之和(本實(shí)施例中為70V)，本實(shí)施例選IRPF250N，耐壓為200V ，快恢復(fù)功率二極 管24,須選導(dǎo)通關(guān)斷速度快、耐壓高于穩(wěn)恒直流電源1輸入電壓與Cuk升降壓變換器2 輸出電壓之和(本實(shí)施例中為70V)的器件，本實(shí)施例選MUR440,耐壓為280V,其 中輸入濾波電感21 —端接穩(wěn)恒直流電源1的輸出端，另一端接自關(guān)斷功率器件22的漏 極和輸入濾波電解電容23,對輸入電壓進(jìn)行濾波，輸入濾波電解電容23輸出端接快恢 復(fù)二極管24的陽極和輸出濾波電感25的輸入端，當(dāng)自關(guān)斷功率器件21導(dǎo)通、快恢復(fù) 功率二極管22截止時(shí)，輸入濾波電解電容25將其存儲的能量釋放給輸出濾波電感24、 輸出濾波電解電容26及永磁無刷直流電動機(jī)5，輸出濾波電感25的輸出端接輸出濾波 電解電容26和永磁無刷直流電動機(jī)5中線，對輸出進(jìn)行濾波及儲能，自關(guān)斷功率器件 22源極、快恢復(fù)二極管24的陰極、輸出濾波電解電容26的輸出端均接地，通過調(diào)節(jié)自 關(guān)斷功率器件21的開關(guān)時(shí)間調(diào)整Cuk升降壓變換器2的變壓比，從而控制其輸出電壓， 自關(guān)斷功率器件21的開關(guān)時(shí)間由數(shù)字控制器7根據(jù)轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。
如圖1所示，本發(fā)明所述的能耗單元3包括功率電阻31、自關(guān)斷功率器件32，其 中功率電阻31的一端接永磁無刷直流電動機(jī)5定子繞組中線，另一端接自關(guān)斷功率器 件32的漏極，在能耗制動過程中用于消耗永磁無刷直流電動機(jī)5反電動勢產(chǎn)生的能量， 所以選功率大于4W的器件，本實(shí)施例選阻值為0.5Q，功率為10W,自關(guān)斷功率器件 32源極接地，用于控制能耗單元3的開通與關(guān)斷，須選取耐壓超過永磁無刷直流電動機(jī) 5最大反電動勢值(本實(shí)施例中為40V),且由于Cuk升降壓變換器2的電路特征，本 實(shí)施例選P溝道型IRFP9240，耐壓為200V 。
如圖l所示，本發(fā)明所述的三相星型半橋4包括三個(gè)自關(guān)斷功率器件，須選取耐壓 超過加在永磁無刷直流電動機(jī)5兩端驅(qū)動電壓的最大值(本實(shí)施例中為42V),且由于 Cuk升降壓變換器2的電路特征，本實(shí)施例選P溝道型IRFP9240，耐壓為200V ，三個(gè) 自關(guān)斷功率器件的漏極分別接永磁無刷直流電動機(jī)的三相繞組，通過調(diào)整三個(gè)自關(guān)斷功
率器件的開通與關(guān)斷對永磁無刷直流電機(jī)5的換相進(jìn)行控制，源極均接地。
如圖1所示，在三相星型半橋之間和地加了 0.05Q的檢測電阻R，用于檢測繞組電流。
如圖1所示，本發(fā)明所述的位置檢測裝置6由霍爾位置傳感器61、低通濾波器62 和整形電路63組成，其中霍爾位置傳感器61安裝在永磁無刷直流電動機(jī)5的定子中， 用于檢測永磁無刷直流電機(jī)5轉(zhuǎn)子位置信號，其輸出由低通濾波器62進(jìn)行濾波、整形 電路63進(jìn)行整形后輸出方波信號送入數(shù)字控制器7，用于控制永磁無刷直流電動機(jī)5的 換相及調(diào)速。
如圖3所示，本發(fā)明所述的數(shù)字控制器7由DSP71、 FPGA72、 E2PROM73、模數(shù)轉(zhuǎn) 換模塊74和數(shù)字1/075組成，其中DSP71采用TMS320C32， FPGA72采用A3P125， E2PROM 73采用71256，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊74采用AD1674,數(shù)字1/075采用MAX232，數(shù) 字1/075將位置檢測裝置6輸出信號傳給FPGA72，在FPGA72中根據(jù)換相表產(chǎn)生 PWM1 PWM3信號對永磁無刷直流電動機(jī)5的換相進(jìn)行控制，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊74對永磁 無刷直流電動機(jī)5轉(zhuǎn)子位置信號、繞組電流信號和Cuk升降壓變換器2的輸出電壓進(jìn)行 采樣由FPGA72讀取送入DSP71進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換成PWM4信號 和PWM5信號由FPGA72輸出，其中PWM4信號用于控制能耗單元3， PWM5信號用 于控制Cuk升降壓變換器2的變壓比。
整個(gè)控制過程具體描述如下永磁無刷直流電動機(jī)5啟動時(shí)，首先由數(shù)字控制器7 輸出以0.1為占空比的PWM5信號對永磁無刷直流電動機(jī)5進(jìn)行驅(qū)動，在永磁無刷直流 電動機(jī)5升速過程中，由位置檢測裝置6檢測永磁無刷直流電機(jī)5轉(zhuǎn)子位置信號并通過 數(shù)字1/075將其送入FPGA72,在FPGA72中根據(jù)換相表生成PWM1 PWM3，用于控制 永磁無刷直流電動機(jī)5的換相，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊74對永磁無刷直流電動機(jī)5轉(zhuǎn)子位置信 號和永磁無刷直流電動機(jī)5繞組電流信號進(jìn)行采樣后由FPGA72送入DSP71，轉(zhuǎn)子位置 信號在DSP71中經(jīng)過倍頻補(bǔ)償后進(jìn)行PID運(yùn)算求出永磁無刷直流電動機(jī)5轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速， 與參考轉(zhuǎn)速比較，其差值經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)并與永磁無刷直流電動機(jī)5繞組中實(shí)際 電流值進(jìn)行比較得到一個(gè)電流調(diào)節(jié)量，由DSP71傳給FPGA72并與所設(shè)載波進(jìn)行比較， 當(dāng)載波低于電流調(diào)節(jié)量時(shí)輸出低電平，高于電流調(diào)節(jié)量時(shí)輸出高電平，最終轉(zhuǎn)換成 PWM5信號用于控制Cuk升降壓變換器2的變壓比，且隨著永磁無刷直流電動機(jī)5轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)速的變化實(shí)時(shí)地調(diào)整，永磁無刷直流電動機(jī)5轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于3000r/min時(shí)，其驅(qū)動電 壓低于28V，根據(jù)永磁無刷直流電動機(jī)5轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由DSP71運(yùn)算得到的電流調(diào)節(jié)量將大 于FPGA72里設(shè)置的載波峰值的一半，F(xiàn)PGA72輸出的PWM5占空比將小于0.5， Cuk
升降壓變換器2變壓比小于1，為降壓階段；永磁無刷直流電動機(jī)5轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于
3000r/min時(shí)，考慮到永磁無刷直流電動機(jī)5反電動勢、快恢復(fù)功率二極管24及各個(gè)自 關(guān)斷功率器件管壓降，其驅(qū)動電壓高于28V，根據(jù)永磁無刷直流電動機(jī)5轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由 DSP71運(yùn)算得到的電流調(diào)節(jié)量將小于FPGA72里設(shè)置的載波峰值的一半，F(xiàn)PGA72輸出 的PWM5信號占空比將大于0.5, Cuk升降壓變換器2變壓比大于1，為升壓階段，當(dāng) 永磁無刷直流電動機(jī)5達(dá)到參考轉(zhuǎn)速5000r/min時(shí)，反電動勢為40V，根據(jù)永磁無刷直 流電動機(jī)5轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由DSP71運(yùn)算得到的電流調(diào)節(jié)量達(dá)到最小，F(xiàn)PGA72輸出的PWM5 信號占空比約等于0.6， Cuk升降壓變換器2變壓比約等于1.5,系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)速階段，Cuk 升降壓變換器2的輸出電壓將維持不變，為穩(wěn)壓階段。在降速制動過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速不低 于3000r/min時(shí)，考慮到快恢復(fù)功率二極管24及各個(gè)自關(guān)斷功率器件管壓降，永磁無刷 直流電動機(jī)5反電動勢超過28V， FPGA72將PWM4信號置為高電平，即切斷穩(wěn)恒直流 電源l, Cuk升降壓變換器2停止工作，在永磁無刷直流電動機(jī)5、能耗制動單元3、 檢測電阻R和三相星型半控橋4構(gòu)成的回路中，由功率電阻31消耗永磁無刷直流電動 機(jī)5反電動勢產(chǎn)生的能量，進(jìn)行能耗制動；當(dāng)轉(zhuǎn)速低于3000r/min時(shí)，永磁無刷直流電 動機(jī)5反電動勢低于28V ， FPGA72將PWM4信號置為低電平，穩(wěn)恒直流電源1繼續(xù) 供電，F(xiàn)PGA72將PWM5信號置為低電平，并根據(jù)換相表通過調(diào)整PWM1 PWM3信號， 控制三相星型半控橋4中各自關(guān)斷功率器件的開通與關(guān)斷，改變永磁無刷直流電動機(jī)5 各相繞組的導(dǎo)通時(shí)序，進(jìn)行反接制動，整個(gè)降速制動過程中，位置檢測裝置6和數(shù)字控 制器7—直工作。本發(fā)明通過將Cuk升降壓變換器2輸出電壓提供給三相星型半橋4， 對擁有較大輸出力矩系數(shù)的永磁無刷直流電動機(jī)5進(jìn)行驅(qū)動和調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展磁懸 浮反作用飛輪最大加速力矩。
總之，本發(fā)明能夠在不改變輸入電壓的情況下根據(jù)轉(zhuǎn)速變化實(shí)時(shí)地對穩(wěn)恒直流電源 電壓進(jìn)行升降壓變換以驅(qū)動永磁無刷直流電動機(jī)，通過三相星型半橋控制永磁無刷直流 電動機(jī)換相，通過增大永磁無刷直流電動機(jī)輸出力矩系數(shù)擴(kuò)展磁懸浮反作用飛輪最大加 速力矩，改善了系統(tǒng)動態(tài)性能，同時(shí)不增加總體功耗，對電能有限的航天器具有重要的 應(yīng)用價(jià)值。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員
來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也
應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于由穩(wěn)恒直流電源(1)、Cuk升降壓變換器(2)、能耗單元(3)、三相星型半橋(4)、永磁無刷直流電動機(jī)(5)、位置檢測裝置(6)和數(shù)字控制器(7)組成，穩(wěn)恒直流電源(1)提供給Cuk升降壓變換器(2)一個(gè)恒定電壓，Cuk升降壓變換器(2)后經(jīng)能耗單元(3)、檢測電阻R和三相星型半橋(4)接永磁無刷直流電動機(jī)(5)，Cuk升降壓變換器(2)用于對穩(wěn)恒直流電源(1)輸出電壓進(jìn)行升降壓變換，能耗單元(3)用于降速過程中的能耗制動，檢測電阻R在三相星型半橋(4)與地之間，用于檢測永磁無刷直流電動機(jī)繞組電流，通過三相星型半橋(4)對永磁無刷直流電動機(jī)(5)進(jìn)行換相控制，位置檢測裝置(6)用于檢測永磁無刷直流電動機(jī)(5)轉(zhuǎn)子位置信號，將其送入數(shù)字控制器(7)，在數(shù)字控制器(7)中根據(jù)換相表產(chǎn)生PWM1～PWM3信號用于控制三相星型半控橋(4)，同時(shí)數(shù)字控制器(7)對永磁無刷直流電動機(jī)(5)繞組電流和Cuk升降壓變換器(2)輸出電壓進(jìn)行采樣，并經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換成PWM4信號和PWM5信號，其中PWM4信號用于控制能耗單元(3)，PWM5信號用于控制Cuk升降壓變換器(2)的變壓比，且隨著永磁無刷直流電動機(jī)(5)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化實(shí)時(shí)調(diào)整Cuk升降壓變換器(2)變壓比以控制永磁無刷直流電動機(jī)(5)的驅(qū)動電壓。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所 述的Cuk升降壓變換器(2)包括輸入濾波電感(21)、自關(guān)斷功率器件(22)、輸入 濾波電解電容(23)、快恢復(fù)功率二極管(24)、輸出濾波電感(25)和輸出濾波電解 電容(26)，其中輸入濾波電感(21) —端接穩(wěn)恒直流電源(1)的輸出端，另一端接 自關(guān)斷功率器件(22)的漏極和輸入濾波電解電容(23)，輸入濾波電解電容(23)輸 出端分別接快恢復(fù)二極管(24)的陽極和輸出濾波電感(25)的輸入端，輸出濾波電感(25)的輸出端分別接輸出濾波電解電容(26)和永磁無刷直流電動機(jī)(5)中線，自 關(guān)斷功率器件(22)源極、快恢復(fù)二極管(24)的陰極、輸出濾波電解電容(26)的輸 出端均接地，其中輸入濾波電解電容(23)用于能量傳遞并和輸入濾波電感(21)對穩(wěn) 恒直流電源(1)電壓進(jìn)行濾波，輸出濾波電感(25)和輸出濾波電解電容(26)用于 儲能并對輸出電壓進(jìn)行濾波，通過控制自關(guān)斷功率器件(22)導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間對Cuk升 降壓變換器(2)變壓比進(jìn)行調(diào)整。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制系統(tǒng).，其特征在于所 述的能耗單元(3)包括一個(gè)功率電阻(31)和一個(gè)自關(guān)斷功率器件(32)，其中功率 電阻(31)的一端接定子繞組中線，在能耗制動過程中用于消耗永磁無刷直流電動機(jī)(5) 反電動勢產(chǎn)生的能量，另一端接自關(guān)斷功率器件(32)的漏極，自關(guān)斷功率器件(32) 源極接地。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所 述的三相星型半橋(4)包括三個(gè)自關(guān)斷功率器件，其漏極分別接永磁無刷直流電動機(jī) 的三相繞組，通過調(diào)整三個(gè)自關(guān)斷功率器件的開通與關(guān)斷對永磁無刷直流電動機(jī)(5) 的換相進(jìn)行控制，源極接檢測電阻R輸出端。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所 述的位置檢測裝置(6)由霍爾位置傳感器(61)、低通濾波器(62)和整形電路(63) 組成，霍爾位置傳感器(61)檢測永磁無刷直流電機(jī)(5)轉(zhuǎn)子位置信號，經(jīng)低通濾波 器(62)濾波、整形電路(63)整形后輸出送至數(shù)字控制器(7)，用于控制永磁無刷 直流電動機(jī)(5)的換相及調(diào)速。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所 述的數(shù)字控制器(7)由DSP (71) 、 FPGA (72) 、 E2PROM (73)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(74) 和數(shù)字I/O (75)組成，數(shù)字I/O (75)用于將位置檢測裝置(6)輸出的永磁無刷直流 電動機(jī)(5)轉(zhuǎn)子位置信號傳給FPGA(72),在FPGA(72)中根據(jù)換相表生成PWM1 PWM3 信號用于控制三相星型半控橋(4) ， E^ROM(73)用于存儲DSP(71)的運(yùn)算源程序， 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(74)對Cuk升降壓變換器(2)輸出電壓、永磁無刷直流電動機(jī)(5)繞 組電流、永磁無刷直流電動機(jī)(5)轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行采樣，由FPGA (72)讀取采樣值 傳給DSP (71)，經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)后由FPGA (72)生成PWM4信號和PWM5 信號。
全文摘要
一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)，主要由Cuk升降壓變換器、永磁無刷直流電動機(jī)、三相星型半橋、數(shù)字控制器、能耗單元等部件組成。系統(tǒng)通過位置檢測裝置將檢測到的位置信號送入數(shù)字控制器，經(jīng)數(shù)字控制器計(jì)算轉(zhuǎn)換成PWM信號輸出以控制Cuk升降壓變換器的變壓比、能耗單元和永磁無刷直流電動機(jī)換相及調(diào)速。本發(fā)明能夠在不改變輸入電壓的情況下根據(jù)轉(zhuǎn)速變化實(shí)時(shí)地對穩(wěn)恒直流電源電壓進(jìn)行升降壓變換以驅(qū)動永磁無刷直流電動機(jī)，通過三相星型半橋控制永磁無刷直流電動機(jī)換相，通過增大永磁無刷直流電動機(jī)輸出力矩系數(shù)擴(kuò)展磁懸浮反作用飛輪最大加速力矩，改善了系統(tǒng)動態(tài)性能，同時(shí)不增加總體功耗，對電能有限的航天器具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號H02P6/08GK101388631SQ200810223619
公開日2009年3月18日 申請日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日
發(fā)明者周新秀, 孟姍姍, 房建成, 娜 朱, 紅 李, 湯繼強(qiáng) 申請人:北京航空航天大學(xué)