CN109850188A - 一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，可作为飞轮、控制力矩陀螺等空间执行结构的高精度稳速控制系统，其包括：F‑V转换模块、PI控制模块、PWM信号产生模块、三相功率驱动模块、电机、转速脉冲产生模块。本发明可实现飞轮转子的稳速控制，6000rpm稳速时的转速闭环控制精度可达到±1rpm。本发明的电路装置通过模拟器件实现，不需要任何数字芯片，电路简单可靠，成本低，易于实现，抗辐照能力强。

Description

一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统

技术领域

本发明涉及飞轮高速无刷直流电机稳速控制系统，适用于卫星长寿命、高精度姿态控制系统空间执行机构的运行控制。

背景技术

飞轮及控制力矩陀螺内转子作为航天器的执行部件，其高精度高稳定度控制一直以来是关键技术难点。飞轮内部采用无刷直流电机作为驱动组件，性能稳定，相比光电码盘，成本低，可靠性高，被广泛用于空间执行机构的驱动组件中。航天器姿态控制系统工作时，根据姿控调整的需要，向飞轮发送系统指令，飞轮执行相应的指令，进行加减速或稳速运行，向航天器提供合适的控制力矩及角动量，对航天器的姿态偏差进行矫正，实现航天器姿态的稳定控制。

随着航天器寿命的要求越来越高，要求飞轮的寿命和可靠性也越来越高。目前，对飞轮进行加减速和稳速控制的电路装置，普遍采用数字芯片，如DSP、FPGA等实现，在卫星等航天器领域，高抗辐照数字芯片的成本较高，在轨运行时，失效率较高，对飞轮进行高精度稳速控制时，需要复杂的控制算法，这更进一步增加了系统的复杂度，同时也不利于可靠性的提高。基于光电码盘的飞轮转速控制，可以获得较高的转速控制精度，但光电码盘及其数字控制电路也同样较为复杂，不利于产品的高可靠性、低成本、小型化的实现。

飞轮内部采用模拟器件构成控制电路组件，对飞轮内部无刷直流电机进行控制。采用基于F-V转换的稳速控制方法，降低了产品成本，提高了产品的整体抗辐照能力，减小了产品体积。飞轮在6000rpm下的稳速控制精度可达到±1rpm，可以满足航天器姿态调整的需要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有飞轮稳速控制系统使用数字芯片及光电码盘复杂度高、可靠性低、成本高的不足，提出了一种采用F-V转换芯片实现飞轮转速闭环控制的系统方案及电路装置，具有可靠性高、成本低、体积小的特点。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特点是，包括：频率电压转换模块、PI控制模块、PWM信号产生模块、三相功率驱动模块、电机、转速脉冲产生模块；

所述的频率电压转换模块用于对转速脉冲信号Fs进行频率电压转换，产生与转速脉冲信号Fs成正比的电压信号Vfs，Vfs与转速指令电压Vd比较后，将偏差ΔVi送至PI控制模块，进行运算处理后生成输出电压信号Vo，电压信号Vo与飞轮转速脉冲信号Fs成正比，输出电压信号Vo送至PWM信号产生模块，进行运算处理后，得到脉宽与飞轮转速控制偏差大小成正比的PWM信号，该PWM信号送至三相功率驱动模块，并直接驱动飞轮电机的加减速运行，所述飞轮电机工作时，其内部的霍尔传感器输出三路相位相差120°、占空比50％的霍尔脉冲信号PHA、PHB、PHC，三路信号送至转速脉冲产生模块，经过逻辑处理后，产生飞轮转速脉冲信号Fs。

所述的频率电压转换模块包括JK触发器U1A、JK触发器U1B、频率电压转换芯片U2及其外围电路；

其中JK触发器U1A的第1脚信号CD与U1B的第10脚信号/Q相连，U1A的第2脚信号J与U1A的第7脚信号/Q相连，U1A的第3脚信号K与U1A的第5脚信号SD、U1B的第13脚信号K、U1B的第15脚信号CD、U1B的第11脚信号SD相连，并连接至正电源端+15V，U1A的第4脚连接飞轮转速脉冲信号Fs，U1A的第6脚信号Q连接至U1B的第14脚信号J，U1A的第9脚信号Q连接至U2的第14脚信号COMP-，U1B的第12脚连接外部时钟信号Fclk；

频率电压转换芯片U2的第1脚为正电源+Vs输入端，其外部电阻R5及电容C4同时相连，电阻R5用于对正电源输入限流，电阻R5的另一端连接至+15V电源，C4为旁路电容，C4的另一端连接至地GND；

U2的第2脚、第3脚、第7脚、第9脚、第11脚、第16脚均空置，U2的第4脚为器件内部运放的输出端OPout，其与电阻R3、R4、电容C2同时相连，电阻R4的另一端为电压信号Vfs，该电压信号Vfs为频率电压转换后输出的与转速脉冲信号Fs频率成正比的输出电压；电容C2的另一端与电阻R3的另一端相连，并连接至U2的第5脚OP-上，该第5脚OP-为器件U2内部运放的反相输入端，电容C2用于滤除输出端的高频干扰信号，电阻R3实现器件内部运放的负反馈连接，U2的第6脚OP+为器件U2内部运放的正相输入端，其连接至地GND，U2的第8脚为器件负电源输入端-Vs，其与电阻R2、电容C1同时相连，电容C1的另一端连接至地GND，其为负电源端的旁路电容，电阻R2的另一端与负电源相连，用于负电源端限流，U2的第10脚CLKin连接外部时钟输入信号Fclk，第12脚DGND、第13脚AGND连接地GND，U2的第15脚COMP+与电阻R1和二极管V1的正端相连，电阻R1的另一端连接正电源，二极管V1的负端与二极管的正端相连，二极管V2的负端连接地GND。

所述的PI控制模块由运放U3及其外围电路组成，运放U3的第1脚为反相输入端，其与电阻R6、电阻R7、电阻R8同时相连，电阻R6的另一端连接F-V转换模块输出的与转速频率成正比的输出电压信号Vfs，电阻R7的另一端与电容C5相连，电容C5的另一端与电阻R8的另一端相连，并与运放U3的第3脚输出端、电阻R13同时相连，电阻R13的另一端与稳压二极管V4的负端、稳压二极管V5的正端、电阻R14同时相连，稳压二极管V4的正端、稳压二极管V5的负端连接地GND，电阻R14的另一端连接至PWM信号产生模块，该点为PI控制模块的最终输出信号Vo，运放U3的第2脚为正相输入端，其与电阻R9、电阻R10、二极管V3的负端同时相连，电阻R9的另一端连接转速指令电压Vd，电阻R10的另一端连接地GND，二极管V3的正端与电阻R11、电阻R12同时相连，电阻R11的另一端连接至正电源端，电阻R12的另一端连接地GND。

所述的PWM信号产生模块包括NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、PNP三极管Q3及其外围器件；

所述三极管Q1的基极与三极管Q2的基极、电容C6同时相连，该点连接PI控制模块的输出信号Vo；

电容C6的另一端连接地GND，三极管Q1的集电极与电阻R16相连，电阻R16的另一端与电阻R15、三极管Q3的基极同时相连，电阻R15的另一端与三极管Q3的发射极相连，并连接至正电源端，三极管Q3的集电极与电阻R18相连，电阻R18的另一端与电阻R19相连，电阻R19的另一端连接地GND，电阻R18和电阻R19的连接点为输出信号PWM波，三极管Q1的发射极与二极管V6的正端相连，二极管V6的负端与二极管V7的正端相连，V6与V7的连接点连接外部三角波信号Vt，二极管V7的负端与三极管Q2的发射极相连，三极管Q2的集电极与电阻R17相连，电阻R17的另一端连接负电源端。

所述的三相功率驱动模块包括与门U4A、与门U4B、与门U4C，NPN三极管Q4、NPN三极管Q6、NPN三极管Q8、PNP三极管Q5、PNP三极管Q7、PNP三极管Q9及N沟道场效应管VTA、N沟道场效应管VTB、N沟道场效应管VTC及其外围器件；

所述与门U4A的第1脚与与门U4B的第4脚、与门U4C的第7脚相连，并同时连接PWM信号产生模块输出的PWM信号，与门U4A的第2脚连接逻辑换相信号GA，与门U4A的第3脚与电阻R20相连，电阻R20的另一端与NPN三极管Q4的基极、PNP三极管Q5的基极同时相连，NPN三极管Q4的集电极连接至正电源端+15V，PNP三极管Q5的集电极连接至地GND，NPN三极管Q4、PNP三极管Q5的发射极相连，并与电阻R23、电容C7同时相连，电阻R23的另一端与电容C7的另一端相连后，再同时与电阻R24、N沟道场效应管VTA的栅极相连，电阻R24的另一端连接地GND，N沟道场效应管VTA的漏极与二极管V8的负端、电容C8同时相连，二极管V8的正端连接至电机绕组MA，电容C8的另一端与电阻R25相连，R25的另一端与N沟道场效应管VTA的源极相连，并同时与N沟道场效应管VTB的源极、N沟道场效应管VTC的源极相连，并同时连接至R32的一端，R32的另一端连接至地GND，与门U4B的第5脚连接逻辑换相信号GB，与门U4B的第6脚与电阻R21相连，电阻R21的另一端与NPN三极管Q6的基极、PNP三极管Q7的基极同时相连，NPN三极管Q6的集电极连接至正电源端+15V，PNP三极管Q7的集电极连接至地GND，NPN三极管Q6、PNP三极管Q7的发射极相连，并与电阻R26、电容C9同时相连。电阻R26的另一端与电容C9的另一端相连后，再同时与电阻R27、N沟道场效应管VTB的栅极相连，电阻R27的另一端连接地GND。N沟道场效应管VTB的漏极与二极管V9的负端、电容C10同时相连，二极管V9的正端连接至电机绕组MB，电容C10的另一端与电阻R28相连，R28的另一端与N沟道场效应管VTB的源极相连；

与门U4C的第8脚连接逻辑换相信号GC，与门U4C的第9脚与电阻R22相连，电阻R22的另一端与NPN三极管Q8的基极、PNP三极管Q9的基极同时相连，NPN三极管Q8的集电极连接至正电源端+15V，PNP三极管Q9的集电极连接至地GND，NPN三极管Q8、PNP三极管Q9的发射极相连，并与电阻R29、电容C11同时相连，电阻R29的另一端与电容C11的另一端相连后，再同时与电阻R30、N沟道场效应管VTC的栅极相连。电阻R30的另一端连接地GND。N沟道场效应管VTC的漏极与二极管V10的负端、电容C12同时相连，二极管V10的正端连接至电机绕组MC，电容C12的另一端与电阻R31相连，R31的另一端与N沟道场效应管VTC的源极相连。

所述的电机为三相半桥拓扑结构。

所述的转速脉冲产生模块包括异或非门U5A、异或非门U5B、带施密特整形的异或非门U6及外围阻容器件，异或非门U5A的第1脚连接飞轮电机霍尔信号PHA，第2脚连接飞轮电机霍尔信号PHB，第3脚连接异或非门U5B的第4脚，异或非门U5B的第5脚连接飞轮电机霍尔信号PHC，U5B的第6脚连接带施密特整形的异或非门U6的第1脚，同时也与电阻R33连接，电阻R33的另一端与U6的第2脚和电容C13同时相连，电容C13的另一端连接地GND，带施密特整形的异或非门U6的第3脚为飞轮转速输出信号Fs。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

采用F-V转换芯片实现对转速脉冲频率的电压转换，非线性误差小于0.005％，温漂小于25ppm/℃，采用模拟分立器件实现控制电路的全部组成，成本低、抗辐照能力强、可靠性高、体积小，6000rpm时的转速控制精度达到±1rpm，满足飞轮等空间执行机构的稳速控制要求。

附图说明

图1为本发明的基于F-V转换的飞轮稳速控制系统组成框图；

图2为本发明的F-V转换模块电路图；

图3为F-V转换波形示意图；

图4为本发明的PI控制模块电路图；

图5为本发明的PWM信号产生模块电路图；

图6为PWM信号产生波形示意图；

图7为本发明的三相功率驱动模块电路图；

图8为A相驱动信号波形示意图；

图9为本发明的电机框图；

图10为本发明的转速脉冲产生模块电路图；

图11为转速脉冲产生波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明的系统组成主要包括：F-V转换模块1、PI控制模块2、PWM信号产生模块3、三相功率驱动模块4、电机5、转速脉冲产生模块6。F-V转换模块1用于对转速脉冲信号Fs进行频率-电压(F-V)转换，产生与转速Fs成正比的电压信号Vfs，Vfs与转速指令电压Vd比较后，将偏差ΔVi送至PI控制模块2，进行运算处理后生成输出电压Vo。输出电压Vo送至PWM信号产生模块3，与三角波信号Vt进行比较处理后，输出脉宽与Vo大小成正比的PWM信号，该PWM信号送至三相功率驱动模块4，并直接驱动飞轮电机[5]的加减速以及稳速运行。飞轮电机[5]工作时，其内部的霍尔传感器输出三路相位相差120°、占空比50％的霍尔脉冲信号PHA、PHB、PHC，这三路信号送至转速脉冲产生模块6，经过逻辑处理后，产生6倍频的飞轮转速信号Fs。该转速信号Fs送至F-V转换模块1，进而实现飞轮转速的闭环控制。

如图2所示，给出了本发明的F-V转换模块电路图。所述的F-V转换模块1由JK触发器U1A、U1B、F-V转换芯片U2及其外围电路组成。

JK触发器U1A的第1脚信号CD与U1B的第10脚信号/Q相连，U1A的第2脚信号J与U1A的第7脚信号/Q相连，U1A的第3脚信号K与U1A的第5脚信号SD、U1B的第13脚信号K、U1B的第15脚信号CD、U1B的第11脚信号SD相连，并连接至正电源端+15V，U1A的第4脚连接飞轮转速脉冲信号Fs，U1A的第6脚信号Q连接至U1B的第14脚信号J，U1A的第9脚信号Q连接至U2的第14脚信号COMP-，U1B的第12脚连接外部时钟信号Fclk。

F-V转换芯片U2的第1脚为正电源+Vs输入端，其外部电阻R5及电容C4同时相连，电阻R5用于对正电源输入限流，电阻R5的另一端连接至+15V电源，C4为旁路电容，C4的另一端连接至地GND。U2的第2脚、第3脚、第7脚、第9脚、第11脚、第16脚均空置。U2的第4脚为器件内部运放的输出端OPout，其与电阻R3、R4、电容C2同时相连，电阻R4的另一端为电压信号Vfs，该电压信号Vfs为F-V转换后输出的与转速脉冲信号Fs频率成正比的输出电压。电容C2的另一端与电阻R3的另一端相连，并连接至U2的第5脚OP-上，该点为器件U2内部运放的反相输入端，电容C2用于滤除输出端的高频干扰信号，电阻R3实现器件内部运放的负反馈连接。U2的第6脚OP+为器件U2内部运放的正相输入端，其连接至地GND。U2的第8脚为器件负电源输入端-Vs，其与电阻R2、电容C1同时相连，电容C1的另一端连接至地GND，其为负电源端的旁路电容，电阻R2的另一端与负电源-15V相连，用于负电源端限流。U2的第10脚CLKin连接外部时钟输入信号Fclk，第12脚DGND、第13脚AGND连接地GND。U2的第15脚COMP+与电阻R1和二极管V1的正端相连，电阻R1的另一端连接正电源+15V，二极管V1的负端与二极管的正端相连，二极管V2的负端连接地GND。

飞轮转速信号Fs和外部时钟信号Fclk经过两级JK触发器逻辑处理后，实现相位同步，将处理后的转速信号送至F-V转换芯片U2，在外部时钟Fclk的每个上升沿和下降沿到来时，对飞轮转速脉冲信号进行读取和锁存，进而控制芯片内部电流源对积分电容C2进行充电和放电，最终实现与转速脉冲信号频率成正比的电压Vfs的输出。电阻R1、二极管V1、V2用于给芯片提供1.2V的基准电压信号。电阻R2、电阻R4用于对正电源+15V和负电源-15V的限流。电容C1、C4用于滤除正负电源端的高频干扰。电容R4、电容C3用于实现输出电压信号的低通滤波。图3为F-V转换波形示意图，为便于对F-V转换原理进行说明，其中Vfs为示波器交流档条件下的测试波形。

如图4所示，给出了本发明的PI控制模块电路图。所述的PI控制模块2由运放U3及其外围电路组成。运放U3的第1脚为反相输入端，其与电阻R6、电阻R7、电阻R8同时相连，电阻R6的另一端连接F-V转换模块[1]输出的与转速频率成正比的输出电压信号Vfs。电阻R7的另一端与电容C5相连，电容C5的另一端与电阻R8的另一端相连，并与运放U3的第3脚输出端、电阻R13同时相连。电阻R13的另一端与稳压二极管V4的负端、稳压二极管V5的正端、电阻R14同时相连。稳压二极管V4的正端、稳压二极管V5的负端连接地GND，电阻R14的另一端连接至PWM信号产生模块[3]，该点为PI控制模块[2]的最终输出信号Vo。运放U3的第2脚为正相输入端，其与电阻R9、电阻R10、二极管V3的负端同时相连，电阻R9的另一端连接转速指令电压Vd。电阻R10的另一端连接地GND。二极管V3的正端与电阻R11、电阻R12同时相连，电阻R11的另一端连接至正电源端+15V，电阻R12的另一端连接地GND。与飞轮转速脉冲信号频率成正比的电压信号Vfs接入运放U3的反相输入端、转速指令信号Vd接入运放U3的正相输入端，经过电阻R7、电容C5的PI放大处理后，得到输出电压信号Vo。电阻R8阻值选择100KΩ以上的阻值，用于对运放进行保护。电阻R11、R12、二极管V3用于给运放正相输入端提供一个正的偏置电压，电阻R10选择10KΩ以上的阻值，用于分压。电阻R13、R14用于运放输出限流。稳压二极管V4、V5用于防止运放饱和输出时电压信号Vo过大，超出后级电路的电压承受范围。二极管V4、V5选择6V的稳压二极管，同时漏电流尽量小。

如图5所示，给出了本发明的PWM信号产生模块的电路图。所述的PWM信号产生模块[3]由NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、PNP三极管Q3及其外围器件组成。三极管Q1的基极与三极管Q2的基极、电容C6同时相连，该点连接PI控制模块[2]的输出信号Vo。电容C6的另一端连接地GND。三极管Q1的集电极与电阻R16相连，电阻R16的另一端与电阻R15、三极管Q3的基极同时相连。电阻R15的另一端与三极管Q3的发射极相连，并连接至正电源端+15V。三极管Q3的集电极与电阻R18相连，电阻R18的另一端与电阻R19相连，电阻R19的另一端连接地GND。电阻R18和电阻R19的连接点为输出信号PWM波。三极管Q1的发射极与二极管V6的正端相连，二极管V6的负端与二极管V7的正端相连，V6与V7的连接点连接外部三角波信号Vt。二极管V7的负端与三极管Q2的发射极相连，三极管Q2的集电极与电阻R17相连，电阻R17的另一端连接负电源端-15V。转速控制偏差信号Vo与三角波信号Vt进行比较，当Vo电平高于Vt时，Q1导通，同时Q3导通，PWM信号为高电平，反之，Q1截止，同时Q3截止，PWM信号为低电平。三角波Vt幅值为-6V～6V，频率为10KHz，电压信号Vo幅值被限制在±6V以内，因而PWM信号低电平为0V，高电平为14.3V，频率为10KHz，占空比随着转速控制偏差的大小而变化。电容C6为高频滤波电容。电阻R15、R16、R17用于分压，同时对正电源+15V和负电源-15V进行限流。二极管V6、V7用于增大信号Vo和Vt间的比较压差。电阻R18、R19用于分压，同时对三极管Q3进行限流。图6为PWM信号产生波形示意图，PWM信号高电平宽度正比于信号Vo大于三角波信号Vt的长度。

如图7所示，给出了本发明的飞轮电机三相功率驱动模块电路图。所述的三相功率驱动模块[4]由与门U4A、与门U4B、与门U4C，NPN三极管Q4、NPN三极管Q6、NPN三极管Q8、PNP三极管Q5、PNP三极管Q7、PNP三极管Q9及N沟道场效应管VTA、N沟道场效应管VTB、N沟道场效应管VTC及其外围器件组成。

与门U4A的第1脚与与门U4B的第4脚、与门U4C的第7脚相连，并同时连接PWM信号产生模块[3]输出的PWM信号。与门U4A的第2脚连接逻辑换相信号GA，与门U4A的第3脚与电阻R20相连，电阻R20的另一端与NPN三极管Q4的基极、PNP三极管Q5的基极同时相连，NPN三极管Q4的集电极连接至正电源端+15V，PNP三极管Q5的集电极连接至地GND。NPN三极管Q4、PNP三极管Q5的发射极相连，并与电阻R23、电容C7同时相连。电阻R23的另一端与电容C7的另一端相连后，再同时与电阻R24、N沟道场效应管VTA的栅极相连。电阻R24的另一端连接地GND。N沟道场效应管VTA的漏极与二极管V8的负端、电容C8同时相连，二极管V8的正端连接至电机绕组MA。电容C8的另一端与电阻R25相连，R25的另一端与N沟道场效应管VTA的源极相连，并同时与N沟道场效应管VTB的源极、N沟道场效应管VTC的源极相连，并同时连接至R32的一端，R32的另一端连接至地GND。

与门U4B的第5脚连接逻辑换相信号GB，与门U4B的第6脚与电阻R21相连，电阻R21的另一端与NPN三极管Q6的基极、PNP三极管Q7的基极同时相连，NPN三极管Q6的集电极连接至正电源端+15V，PNP三极管Q7的集电极连接至地GND。NPN三极管Q6、PNP三极管Q7的发射极相连，并与电阻R26、电容C9同时相连。电阻R26的另一端与电容C9的另一端相连后，再同时与电阻R27、N沟道场效应管VTB的栅极相连。电阻R27的另一端连接地GND。N沟道场效应管VTB的漏极与二极管V9的负端、电容C10同时相连，二极管V9的正端连接至电机绕组MB。电容C10的另一端与电阻R28相连，R28的另一端与N沟道场效应管VTB的源极相连。

与门U4C的第8脚连接逻辑换相信号GC，与门U4C的第9脚与电阻R22相连，电阻R22的另一端与NPN三极管Q8的基极、PNP三极管Q9的基极同时相连，NPN三极管Q8的集电极连接至正电源端+15V，PNP三极管Q9的集电极连接至地GND。NPN三极管Q8、PNP三极管Q9的发射极相连，并与电阻R29、电容C11同时相连。电阻R29的另一端与电容C11的另一端相连后，再同时与电阻R30、N沟道场效应管VTC的栅极相连。电阻R30的另一端连接地GND。N沟道场效应管VTC的漏极与二极管V10的负端、电容C12同时相连，二极管V10的正端连接至电机绕组MC。电容C12的另一端与电阻R31相连，R31的另一端与N沟道场效应管VTC的源极相连。

与门U4A、U4B、U4C用于将PWM信号与三路逻辑换相信号GA、GB、GC进行与，相当于在逻辑换相信号高电平期间进行PWM调制。电阻R20、R21、R22用于防止电流倒灌对门电路芯片造成过流损伤，通常选择小于100Ω的电阻。NPN三极管Q4、Q6、Q8分别与PNP三极管Q5、Q7、Q9构成推挽输出电路，增强逻辑换相信号的电流驱动能力。电容C7、C9、C11为加速电容，通常选择小于100pF的片式电容，用于实现对N沟道场效应管VTA、VTB、VTC开通时的栅-源间电容的快速充电，同时可实现关断时的快速放电。电阻R24、R27、R30为分压电阻，通常选择100KΩ阻值的电阻。电容C8、电阻R25用于N沟道场效应管VTA关断时电机A绕组上的电流瞬时泄放，实现对N沟道场效应管VTA的保护。电容C10、电阻R28和电容C12、电阻R31的作用同理。二极管V8、V9、V10用于抑制N沟道场效应管VTA、VTB、VTC关断时，因N沟道场效应管内部寄生二极管的存在而造成的电机电流倒灌，从而抑制飞轮内部电机内环流的存在。图8为电机A相驱动波形示意图。

如图9所示，给出了本发明的电机框图，飞轮内部电机为无刷直流电机，采用三相半桥拓扑结构。Un为中线连接端，ea、eb、ec表示电机三相绕组端反电势，Ra、Rb、Rc表示电机三相绕组电阻，La、Lb、Lc表示电机三相绕组电感，MA、MB、MC表示电机三相绕组连接端。

如图10所示，给出了本发明的转速脉冲产生模块电路图。所述的转速脉冲产生模块[6]由异或非门U5A、异或非门U5B、带施密特整形的异或非门U6及外围阻容器件组成。异或非门U5A的第1脚连接飞轮电机霍尔信号PHA，第2脚连接飞轮电机霍尔信号PHB，第3脚连接异或非门U5B的第4脚。异或非门U5B的第5脚连接飞轮电机霍尔信号PHC，U5B的第6脚连接带施密特整形的异或非门U6的第1脚，同时也与电阻R33连接。电阻R33的另一端与U6的第2脚和电容C13同时相连，电容C13的另一端连接地GND。带施密特整形的异或非门U6的第3脚为飞轮转速输出信号Fs。

异或非门U5A和U5B接收飞轮电机的三路霍尔信号PHA、PHB、PHC，通过异或非逻辑运算，运算结果为3倍频的转速脉冲方波信号，该信号占空比为50％，通过U5B的第6脚输出。该信号送至带施密特整形的异或非门U6的第1脚，同时该信号经过电阻R33、电容C13构成的延时环节后，送至带施密特整形的异或非门U6的第2脚，两者进行异或非处理后得到最终6倍频于单路霍尔信号的飞轮转速脉冲信号Fs。为了使延时环节电路不造成全转速范围内的飞轮转速脉冲信号的相位畸变，电阻R33应尽量小，通常选择100Ω左右，同时应保证RC时间常数应远小于0.5倍的飞轮转速脉冲信号周期值。图11为飞轮转速脉冲信号产生波形示意图，经过对三路霍尔信号PHA、PHB、PHC进行逻辑处理后，飞轮转速脉冲信号Fs实现了6倍频于单路霍尔信号的频率。

本发明未经详细说明部分为一般工程常识。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特征在于，包括：频率电压转换模块、PI控制模块、PWM信号产生模块、三相功率驱动模块、电机、转速脉冲产生模块；

所述的频率电压转换模块用于对转速脉冲信号Fs进行频率电压转换，产生与转速脉冲信号Fs成正比的电压信号Vfs，Vfs与转速指令电压Vd比较后，将偏差ΔVi送至PI控制模块，进行运算处理后生成输出电压信号Vo，电压信号Vo与飞轮转速脉冲信号Fs成正比，输出电压信号Vo送至PWM信号产生模块，进行运算处理后，得到脉宽与飞轮转速控制偏差大小成正比的PWM信号，该PWM信号送至三相功率驱动模块，并直接驱动飞轮电机的加减速运行，所述飞轮电机工作时，其内部的霍尔传感器输出三路相位相差120°、占空比50％的霍尔脉冲信号PHA、PHB、PHC，三路信号送至转速脉冲产生模块，经过逻辑处理后，产生飞轮转速脉冲信号Fs。

2.如权利要求1所述的基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特征在于，所述的频率电压转换模块包括JK触发器U1A、JK触发器U1B、频率电压转换芯片U2及其外围电路；

其中JK触发器U1A的第1脚信号CD与U1B的第10脚信号/Q相连，U1A的第2脚信号J与U1A的第7脚信号/Q相连，U1A的第3脚信号K与U1A的第5脚信号SD、U1B的第13脚信号K、U1B的第15脚信号CD、U1B的第11脚信号SD相连，并连接至正电源端+15V，U1A的第4脚连接飞轮转速脉冲信号Fs，U1A的第6脚信号Q连接至U1B的第14脚信号J，U1A的第9脚信号Q连接至U2的第14脚信号COMP-，U1B的第12脚连接外部时钟信号Fclk；

频率电压转换芯片U2的第1脚为正电源+Vs输入端，其外部电阻R5及电容C4同时相连，电阻R5用于对正电源输入限流，电阻R5的另一端连接至+15V电源，C4为旁路电容，C4的另一端连接至地GND；

U2的第2脚、第3脚、第7脚、第9脚、第11脚、第16脚均空置，U2的第4脚为器件内部运放的输出端OPout，其与电阻R3、R4、电容C2同时相连，电阻R4的另一端为电压信号Vfs，该电压信号Vfs为频率电压转换后输出的与转速脉冲信号Fs频率成正比的输出电压；电容C2的另一端与电阻R3的另一端相连，并连接至U2的第5脚OP-上，该第5脚OP-为器件U2内部运放的反相输入端，电容C2用于滤除输出端的高频干扰信号，电阻R3实现器件内部运放的负反馈连接，U2的第6脚OP+为器件U2内部运放的正相输入端，其连接至地GND，U2的第8脚为器件负电源输入端-Vs，其与电阻R2、电容C1同时相连，电容C1的另一端连接至地GND，其为负电源端的旁路电容，电阻R2的另一端与负电源相连，用于负电源端限流，U2的第10脚CLKin连接外部时钟输入信号Fclk，第12脚DGND、第13脚AGND连接地GND，U2的第15脚COMP+与电阻R1和二极管V1的正端相连，电阻R1的另一端连接正电源，二极管V1的负端与二极管的正端相连，二极管V2的负端连接地GND。

3.如权利要求1所述的基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特征在于，所述的PI控制模块由运放U3及其外围电路组成，运放U3的第1脚为反相输入端，其与电阻R6、电阻R7、电阻R8同时相连，电阻R6的另一端连接F-V转换模块输出的与转速频率成正比的输出电压信号Vfs，电阻R7的另一端与电容C5相连，电容C5的另一端与电阻R8的另一端相连，并与运放U3的第3脚输出端、电阻R13同时相连，电阻R13的另一端与稳压二极管V4的负端、稳压二极管V5的正端、电阻R14同时相连，稳压二极管V4的正端、稳压二极管V5的负端连接地GND，电阻R14的另一端连接至PWM信号产生模块，该点为PI控制模块的最终输出信号Vo，运放U3的第2脚为正相输入端，其与电阻R9、电阻R10、二极管V3的负端同时相连，电阻R9的另一端连接转速指令电压Vd，电阻R10的另一端连接地GND，二极管V3的正端与电阻R11、电阻R12同时相连，电阻R11的另一端连接至正电源端，电阻R12的另一端连接地GND。

4.如权利要求1所述的基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特征在于，所述的PWM信号产生模块包括NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、PNP三极管Q3及其外围器件；

所述三极管Q1的基极与三极管Q2的基极、电容C6同时相连，该点连接PI控制模块的输出信号Vo；

电容C6的另一端连接地GND，三极管Q1的集电极与电阻R16相连，电阻R16的另一端与电阻R15、三极管Q3的基极同时相连，电阻R15的另一端与三极管Q3的发射极相连，并连接至正电源端，三极管Q3的集电极与电阻R18相连，电阻R18的另一端与电阻R19相连，电阻R19的另一端连接地GND，电阻R18和电阻R19的连接点为输出信号PWM波，三极管Q1的发射极与二极管V6的正端相连，二极管V6的负端与二极管V7的正端相连，V6与V7的连接点连接外部三角波信号Vt，二极管V7的负端与三极管Q2的发射极相连，三极管Q2的集电极与电阻R17相连，电阻R17的另一端连接负电源端。

5.如权利要求1所述的基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特征在于，所述的三相功率驱动模块包括与门U4A、与门U4B、与门U4C，NPN三极管Q4、NPN三极管Q6、NPN三极管Q8、PNP三极管Q5、PNP三极管Q7、PNP三极管Q9及N沟道场效应管VTA、N沟道场效应管VTB、N沟道场效应管VTC及其外围器件；

所述与门U4A的第1脚与与门U4B的第4脚、与门U4C的第7脚相连，并同时连接PWM信号产生模块输出的PWM信号，与门U4A的第2脚连接逻辑换相信号GA，与门U4A的第3脚与电阻R20相连，电阻R20的另一端与NPN三极管Q4的基极、PNP三极管Q5的基极同时相连，NPN三极管Q4的集电极连接至正电源端+15V，PNP三极管Q5的集电极连接至地GND，NPN三极管Q4、PNP三极管Q5的发射极相连，并与电阻R23、电容C7同时相连，电阻R23的另一端与电容C7的另一端相连后，再同时与电阻R24、N沟道场效应管VTA的栅极相连，电阻R24的另一端连接地GND，N沟道场效应管VTA的漏极与二极管V8的负端、电容C8同时相连，二极管V8的正端连接至电机绕组MA，电容C8的另一端与电阻R25相连，R25的另一端与N沟道场效应管VTA的源极相连，并同时与N沟道场效应管VTB的源极、N沟道场效应管VTC的源极相连，并同时连接至R32的一端，R32的另一端连接至地GND，与门U4B的第5脚连接逻辑换相信号GB，与门U4B的第6脚与电阻R21相连，电阻R21的另一端与NPN三极管Q6的基极、PNP三极管Q7的基极同时相连，NPN三极管Q6的集电极连接至正电源端+15V，PNP三极管Q7的集电极连接至地GND，NPN三极管Q6、PNP三极管Q7的发射极相连，并与电阻R26、电容C9同时相连。电阻R26的另一端与电容C9的另一端相连后，再同时与电阻R27、N沟道场效应管VTB的栅极相连，电阻R27的另一端连接地GND。N沟道场效应管VTB的漏极与二极管V9的负端、电容C10同时相连，二极管V9的正端连接至电机绕组MB，电容C10的另一端与电阻R28相连，R28的另一端与N沟道场效应管VTB的源极相连；

与门U4C的第8脚连接逻辑换相信号GC，与门U4C的第9脚与电阻R22相连，电阻R22的另一端与NPN三极管Q8的基极、PNP三极管Q9的基极同时相连，NPN三极管Q8的集电极连接至正电源端+15V，PNP三极管Q9的集电极连接至地GND，NPN三极管Q8、PNP三极管Q9的发射极相连，并与电阻R29、电容C11同时相连，电阻R29的另一端与电容C11的另一端相连后，再同时与电阻R30、N沟道场效应管VTC的栅极相连。电阻R30的另一端连接地GND。N沟道场效应管VTC的漏极与二极管V10的负端、电容C12同时相连，二极管V10的正端连接至电机绕组MC，电容C12的另一端与电阻R31相连，R31的另一端与N沟道场效应管VTC的源极相连。

6.如权利要求1所述的基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特征在于，所述的电机为三相半桥拓扑结构。

7.如权利要求1所述的基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特征在于，所述的转速脉冲产生模块包括异或非门U5A、异或非门U5B、带施密特整形的异或非门U6及外围阻容器件，异或非门U5A的第1脚连接飞轮电机霍尔信号PHA，第2脚连接飞轮电机霍尔信号PHB，第3脚连接异或非门U5B的第4脚，异或非门U5B的第5脚连接飞轮电机霍尔信号PHC，U5B的第6脚连接带施密特整形的异或非门U6的第1脚，同时也与电阻R33连接，电阻R33的另一端与U6的第2脚和电容C13同时相连，电容C13的另一端连接地GND，带施密特整形的异或非门U6的第3脚为飞轮转速输出信号Fs。