CN107707172B - 一种cmg低速框架快速宽转矩范围、高精度驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种CMG低速框架快速宽转矩范围、高精度驱动控制系统，采用双绕组电机形式，一个可提供大力矩，一个可提供高精度力矩，两电机可根据工况自由切换，具有宽转矩范围、高精度力矩输出能力，能够满足面向未来多任务实现的机动灵活性需求，以及超敏捷、动中成像的高性能卫星平台的需求。

Description

一种CMG低速框架快速宽转矩范围、高精度驱动控制系统

技术领域

本发明涉及一种CMG低速框架快速宽转矩范围、高精度驱动控制系统，属于控制力矩陀螺技术领域。

背景技术

面向未来多任务实现的机动灵活性需求、超敏捷、动中成像等高性能卫星平台的需求，需从“快、稳、精”三个方面全面提升卫星平台性能，使其在我国超高精度对地观测卫星等领域体现出广泛的应用价值。为了实现这个目标要求姿控执行机构能够快速提供快速较大高精度的输出力矩。

目前中型控制力矩陀螺的研制已经开展，其角动量和输出力矩难以满足高精度、快响应需求。后续高性能卫星平台急需大力矩、高精度控制力矩陀螺，快速、较大、高精度的输出力矩主要包括以下四方面：一是带宽较高；二是输出力矩大；三是可承受平台最大角速度比较大；四是输出力矩精度要求非常高。由上述四方面可见，相对现有控制力矩陀螺来说，输出力矩提高了数倍，力矩精度提高了一个量级，需要开展一种宽转矩范围、高精度力矩输出的CMG框架控制系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种宽转矩范围、高精度力矩输出的CMG低速框架控制系统。

本发明的技术解决方案是：一种CMG低速框架快速宽转矩范围、高精度驱动控制系统，包括驱动模块、绕组切换模块、电流检测模块、光栅测角模块、控制器模块和双电机绕组结构模块；

所述双电机绕组结构模块包括共用一个永磁转子的第一永磁电机和第二永磁电机，所述第一永磁电机定子绕组匝数比第二永磁电机定子绕组匝数大，两永磁电机定子绕组分离；

所述光栅测角模块使用光栅检测所述永磁转子角位置，反馈到控制器模块；

所述定子绕组切换模块用于所述第一永磁电机定子绕组与第二永磁电机定子绕组的切换；若当前为第一永磁电机工作，当定子绕组电流大于第一给定值时不切换，当定子绕组电流小于第一给定值时切换为第二永磁电机；若当前为第二永磁电机工作，当定子绕组电流小于第二给定值时不切换，当定子绕组电流大于第二给定值时切换为第一永磁电机；所述第一给定值为第一永磁电机的最小输出力矩对应的定子绕组电流，所述第二给定值为第二永磁电机的最大输出力矩对应的定子绕组电流；

所述电流检测模块用于检测所述第一永磁电机定子绕组或第二永磁电机定子绕组输出的电流，并将检测到的电流反馈到控制器模块；

所述控制器模块接收实时定子绕组电流、实时转子角位置和控制分系统的速度指令，并根据所述速度指令计算设定转子角位置，计算设定转子角位置与实时转子角位置的差值确定永磁转子设定转速；所述控制器模块根据所述实时转子角位置差分计算得到实时转子角速度，计算实时转子角速度与所述永磁转子设定转速的差值确定设定电流，计算设定电流与实时电流的差值确定PWM信号占空比的设定值，将PWM信号施加到驱动模块上，使永磁转子跟踪控制分系统给定的速度指令。

进一步地，所述控制器模块还包括滤除测角野值和细分干扰的跟踪微分滤波器，所述跟踪微分滤波器对接收到的实时转子角位置进行滤波，得到滤波后实时转子角位置，用于永磁转子设定转速和实时转子角速度的计算。

所述跟踪微分滤波器得到的滤波后实时转子角位置为

r1(k+1)＝r1(k)+h×r2(k)，

滤波后实时转子角速度为

r2(k+1)＝r2(k)+h×fst，

上述两式中，r1为实时转子角位置信号，r2为估计的实时转子角速度信号，h为运算步长，角速度综合函数fst的计算步骤如下：

首先计算加速度阈值d：d＝delta×h0，其中h0为转子角位置信号滤波参数，delta为加速度阈值调节系数；速度阈值d0：d0＝h0×d，转子角位置增量y：y＝r1(k)-r(k)+h×r2(k)；若转子角位置增量y的绝对值大于速度阈值d0，则检测速度a＝r2(k)+(a0-d)/2×sign(y)，其中，sign(y)为y的符号函数，否则，a＝r2(k)+y/h；若检测速度a大于加速度阈值d，则角速度综合函数fst＝-delta×sign(a)，否则，角速度综合函数fst＝-delta×a/d。

所述驱动模块包括电压斩波器，所述控制器模块通过PWM信号控制斩波器开断，调节电压输出，施加到双电机绕组结构模块的定子绕组上。

所述双电机绕组结构模块包括小绕组a、大绕组D、小绕组b、大绕组E、小绕组c、大绕组F，所述绕组切换模块包括继电器G、继电器H、继电器I、半桥驱动J、半桥驱动K和半桥驱动L，绕组切换模块根据控制器指令控制继电器G、继电器H、继电器I连接到三个小绕组或三个大绕组上；所述继电器G连接到半桥驱动J的输入端上，继电器H连接到半桥驱动K的输入端上，继电器I连接到半桥驱动L的输入端上，所述半桥驱动J、半桥驱动K、半桥驱动L输出相连，接到电流检测模块上；所述控制器模块通过控制三个半桥驱动的导通与关断，使定子绕组轮流通电，驱动永磁转子旋转。

所述电流检测模块包括第一电流检测单元和第二电流检测单元，当所述第一永磁电机定子绕组或第二永磁电机定子绕组输出的电流大于电流检测给定值时使用第一电流检测单元，当所述第一永磁电机定子绕组或第二永磁电机定子绕组输出的电流小于电流检测给定值时使用第二电流检测单元，所述电流检测给定值为给定的电流测量精度值。

进一步地，所述电流检测模块还包括差分放大电路、电流检测切换单元，所述第一电流检测单元包括电压/频率变换模块和第一滤波器，所述第二电流检测单元包括AD转换器和第二滤波器；所述定子绕组输出电流经差分放大电路完成电流到电压的转换并进行信号放大，所述放大后的电压信号连接到所述电流检测切换单元，电流检测切换单元根据控制器指令选择继电器连接到第一电流检测单元或第二电流检测单元上；所述第一滤波器输出信号连接到电压/频率变换模块，进行电压频率变换，转换后的频率信号发送到所述控制器模块中，控制器模块根据频率信号解算出定子绕组电流大小；所述第二滤波器输出信号连接到AD转换器中，进行模拟数字信号转换，转换后的数字量发送到所述控制器模块中，控制器模块根据数字量解算出绕组电流大小。

所述第一永磁电机定子绕组匝数是第二永磁电机定子绕组匝数的10倍以上。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的双电机驱动结构采用双绕组电机形式，一个可提供大力矩，一个可提供高精度力矩，两电机可根据工况自动切换，具有宽转矩范围、高精度力矩输出能力。

(2)本发明的电流检测模块有AD电流检测和VF变换电流检测两个单元，AD电流检测单元具有大电流检测能力，VF变换电流检测单元具有高精度电流检测能力，两单元可根据工况自动切换，具有宽电流范围、高精度电流检测能力。

(3)本发明使用光栅检测框架转子角位置，并设计一种跟踪微分滤波器滤除测角野值和细分干扰，提高了测角精度和测角稳定性。

(4)本发明的电机绕组切换模块及电流检测模块可根据工况快速自动切换，可提供高带宽的力矩输出能力。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图2为本发明双电机驱动模块结构框图。

图3为本发明电流检测模块结构框图。

图4为本发明光栅信号跟踪微分滤波模块流程图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明结构框图，包括双电机结构模块，绕组切换模块，驱动模块，电流检测模块，电流检测切换模块，光栅测角模块，控制器模块。双电机结构模块包括大力矩永磁电机和高精度永磁电机，两电机共用一个永磁转子，大力矩永磁电机定子绕组为大绕组，高精度永磁电机定子绕组为小绕组，前者匝数为后者的10倍以上，两电机定子绕组分离；绕组切换模块使用三个继电器控制大力矩永磁电机和高精度永磁电机的三相绕组选通，当使用大力矩工作模式时，继电器将驱动器选通到大力矩永磁电机绕组上，当使用高精度工作模式时，继电器将驱动器选通到高精度永磁电机绕组上；电流检测模块包括大电流检测单元和高精度电流检测单元，大电流检测单元使用AD检测绕组电流，高精度电流检测单元使用V/F变换器检测绕组电流。电流检测切换模块使用电流检测切换继电器控制大电流检测单元和高精度电流检测单元的选通，当使用大力矩工作模式时，电流检测切换继电器将大电流检测单元选通到控制器电流反馈输入端，当使用高精度工作模式时，电流检测切换继电器将高精度电流检测单元选通到控制器电流反馈输入端；光栅测角模块使用光栅检测双电机结构模块的转子角位置，发送给控制器模块，设计一种跟踪微分滤波器滤除测角野值和细分干扰，得到滤波后的转子角位置；控制器模块接收电流检测模块信号和光栅测角模块信号进行控制算法运算，根据控制分系统的速度指令计算设定的框架位置信号，计算其差值并经过位置环控制器计算得到设定转速，根据光栅测角信号差分计算得到框架的当前转速，与速度设定值相减得到速度误差信号，经过速度环控制器调节以后，得到相应的电流设定信号。该电流设定信号与实际的电机电流信号进行比较，误差值经电流环控制器计算后得到PWM信号占空比的设定值，将PWM信号施加到驱动模块上。同时，向所述绕组切换模块以及测流切换模块下达切换指令。

如图2所示，为本发明双电机驱动模块结构框图，包括驱动单元、双电机结构单元、绕组切换单元。驱动单元包括电压斩波器和半桥驱动D、半桥驱动E、半桥驱动F。双电机结构单元包括小绕组a、大绕组A、小绕组b、大绕组E、小绕组c、大绕组F。绕组切换单元包括继电器D、继电器E、继电器F。控制器通过PWM信号控制斩波器开断，调节电压输出，施加到双电机结构模块的绕组一端，用于调节绕组电流大小。绕组切换单元根据控制器输出的力矩模式控制指令，控制继电器D、继电器E、继电器F连接到小绕组a、小绕组b、小绕组c或大绕组D、大绕组E、大绕组F上。继电器D连接到半桥驱动J的输入端上，继电器E连接到半桥驱动K的输入端上，继电器F连接到半桥驱动L的输入端上。为了产生最优驱动力矩，控制器根据转子角位置输出换向信号T1控制半桥驱动J导通与关断，输出换向信号T2控制半桥驱动K导通与关断，控制器输出的换向信号T3控制半桥驱动L导通与关断，使三相绕组轮流通电，与永磁电机的转子磁场相互作用产生力矩，驱动转子旋转。半桥驱动J、半桥驱动K、半桥驱动L输出相连，接到电流检测模块上。

如图3所示，为本发明电流检测模块结构框图，驱动模块输出接差分放大电路，完成电流到电压的转换并进行信号放大；其输出电压信号连接到电流检测切换继电器单元。第一电流检测单元包括电压/频率变换模块和滤波器1；第二电流检测单元包括AD转换器和滤波器2，滤波器1和滤波器2为二阶巴特沃斯低通滤波器。电流检测切换继电器根据电流检测切换指令选择继电器连接到滤波器1或滤波器2上，进行信号滤波；滤波器1输出信号连接到V/F变换模块，进行电压频率变换，转换后的频率信号发送到控制器中，控制器根据频率信号解算出绕组电流大小；滤波器2输出信号连接到AD中,进行模拟数字信号转换，转换后的数字量发送到控制器中，控制器根据数字量解算出绕组电流大小。

如图4所示，为本发明光栅信号跟踪微分滤波模块流程图。首先计算角加速度阈值d：d＝delta×h0，其中h0为角位置信号滤波参数，delta为加速度阈值调节系数；速度阈值d0：d0＝h0×d，角位置增量y：y＝r1(k)-r(k)+h×r2(k)，其中h为运算步长，r为角位置输入信号，r1为角位置跟踪信号，r2为角速度估计值。然后，把角位置增量y的绝对值与速度阈值d0进行无量纲比较，将角位置变化量超出d0的检测角位置看作不遵循实际物理运动的错误值，即，如果大于，则检测速度a＝r2(k)+(a0-d)/2×sign(y)，其中，sign(y)为y的符号函数，a0为y的一个相关系数函数，否则，a＝r2(k)+y/h；再把检测速度a与d比较，将角速度变化量超出d的检测角位置看作不遵循实际物理运动的错误值，即，如果大于，则角速度综合函数fst＝-delta×sign(a)，否则，fst＝-delta×a/d；最后，计算跟踪角位置r1(k+1)＝r1(k)+h×r2(k)，估计角速度r2(k+1)＝r2(k)+h×fst。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种CMG低速框架快速宽转矩范围、高精度驱动控制系统，其特征在于：包括驱动模块、绕组切换模块、电流检测模块、光栅测角模块、控制器模块和双电机绕组结构模块；

所述双电机绕组结构模块包括共用一个永磁转子的第一永磁电机和第二永磁电机，所述第一永磁电机定子绕组匝数比第二永磁电机定子绕组匝数大，两永磁电机定子绕组分离；

所述光栅测角模块使用光栅检测所述永磁转子角位置，反馈到控制器模块；

所述定子绕组切换模块用于所述第一永磁电机定子绕组与第二永磁电机定子绕组的切换；若当前为第一永磁电机工作，当定子绕组电流大于第一给定值时不切换，当定子绕组电流小于第一给定值时切换为第二永磁电机；若当前为第二永磁电机工作，当定子绕组电流小于第二给定值时不切换，当定子绕组电流大于第二给定值时切换为第一永磁电机；所述第一给定值为第一永磁电机的最小输出力矩对应的定子绕组电流，所述第二给定值为第二永磁电机的最大输出力矩对应的定子绕组电流；

所述电流检测模块用于检测所述第一永磁电机定子绕组或第二永磁电机定子绕组输出的电流，并将检测到的电流反馈到控制器模块；

所述控制器模块接收实时定子绕组电流、实时转子角位置和控制分系统的速度指令，并根据所述速度指令计算设定转子角位置，计算设定转子角位置与实时转子角位置的差值确定永磁转子设定转速；所述控制器模块根据所述实时转子角位置差分计算得到实时转子角速度，计算实时转子角速度与所述永磁转子设定转速的差值确定设定电流，计算设定电流与实时电流的差值确定PWM信号占空比的设定值，将PWM信号施加到驱动模块上，使永磁转子跟踪控制分系统给定的速度指令；

所述控制器模块还包括滤除测角野值和细分干扰的跟踪微分滤波器，所述跟踪微分滤波器对接收到的实时转子角位置进行滤波，得到滤波后实时转子角位置，用于永磁转子设定转速和实时转子角速度的计算；

所述跟踪微分滤波器得到的滤波后实时转子角位置为

r1(k+1)＝r1(k)+h×r2(k)，

滤波后实时转子角速度为

r2(k+1)＝r2(k)+h×fst，

上述两式中，r1为实时转子角位置信号，r2为估计的实时转子角速度信号，h为运算步长，角速度综合函数fst的计算步骤如下：

首先计算加速度阈值d：d＝delta×h0，其中h0为转子角位置信号滤波参数，delta为加速度阈值调节系数；速度阈值d0：d0＝h0×d，转子角位置增量y：y＝r1(k)-r(k)+h×r2(k)；若转子角位置增量y的绝对值大于速度阈值d0，则检测速度a＝r2(k)+(a0-d)/2×sign(y)，其中，sign(y)为y的符号函数，a0为y的一个相关系数函数；否则，a＝r2(k)+y/h；若检测速度a大于加速度阈值d，则角速度综合函数fst＝-delta×sign(a)，否则，角速度综合函数fst＝-delta×a/d。

2.根据权利要求1所述的CMG低速框架快速宽转矩范围、高精度驱动控制系统，其特征在于：所述驱动模块包括电压斩波器，所述控制器模块通过PWM信号控制斩波器开断，调节电压输出，施加到双电机绕组结构模块的定子绕组上。

3.根据权利要求1所述的CMG低速框架快速宽转矩范围、高精度驱动控制系统，其特征在于：所述双电机绕组结构模块包括小绕组a、大绕组D、小绕组b、大绕组E、小绕组c、大绕组F，所述绕组切换模块包括继电器G、继电器H、继电器I、半桥驱动J、半桥驱动K和半桥驱动L，绕组切换模块根据控制器指令控制继电器G、继电器H、继电器I连接到三个小绕组或三个大绕组上；所述继电器G连接到半桥驱动J的输入端上，继电器H连接到半桥驱动K的输入端上，继电器I连接到半桥驱动L的输入端上，所述半桥驱动J、半桥驱动K、半桥驱动L输出相连，接到电流检测模块上；所述控制器模块通过控制三个半桥驱动的导通与关断，使定子绕组轮流通电，驱动永磁转子旋转。

4.根据权利要求1所述的CMG低速框架快速宽转矩范围、高精度驱动控制系统，其特征在于：所述电流检测模块包括第一电流检测单元和第二电流检测单元，当所述第一永磁电机定子绕组或第二永磁电机定子绕组输出的电流大于电流检测给定值时使用第一电流检测单元，当所述第一永磁电机定子绕组或第二永磁电机定子绕组输出的电流小于电流检测给定值时使用第二电流检测单元，所述电流检测给定值为给定的电流测量精度值。

5.根据权利要求4所述的CMG低速框架快速宽转矩范围、高精度驱动控制系统，其特征在于：所述电流检测模块还包括差分放大电路、电流检测切换单元，所述第一电流检测单元包括电压/频率变换模块和第一滤波器，所述第二电流检测单元包括AD转换器和第二滤波器；所述定子绕组输出电流经差分放大电路完成电流到电压的转换并进行信号放大，所述放大后的电压信号连接到所述电流检测切换单元，电流检测切换单元根据控制器指令选择继电器连接到第一电流检测单元或第二电流检测单元上；所述第一滤波器输出信号连接到电压/频率变换模块，进行电压频率变换，转换后的频率信号发送到所述控制器模块中，控制器模块根据频率信号解算出定子绕组电流大小；所述第二滤波器输出信号连接到AD转换器中，进行模拟数字信号转换，转换后的数字量发送到所述控制器模块中，控制器模块根据数字量解算出绕组电流大小。

6.根据权利要求1所述的CMG低速框架快速宽转矩范围、高精度驱动控制系统，其特征在于：所述第一永磁电机定子绕组匝数是第二永磁电机定子绕组匝数的10倍以上。