CN111337007B - 一种控制力矩陀螺框架零位稳定定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制力矩陀螺框架零位稳定定位系统及方法，特别涉及一种满足航天应用要求的控制力矩陀螺框架零位稳定定位方法，在航天应用条件下，可满足控制力矩陀螺框架稳定定位与高精度转角测量要求。调节施加恒定幅值的框架电机定子磁场方向，通过判断框架转动角速度来定位框架电机转子位置，实现转子电角度预估。由于限定了施加驱动电流，确保了框架在预估过程中以极低转速转动，起到了控制CMG输出扰动力矩的作用。

Description

一种控制力矩陀螺框架零位稳定定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种控制力矩陀螺框架零位稳定定位系统及方法，特别涉及一种满足航天应用要求的控制力矩陀螺框架零位稳定定位方法，在航天应用条件下，可满足控制力矩陀螺框架稳定定位与高精度转角测量要求。

背景技术

控制力矩陀螺(CMG)的力矩输出精度决定了航天器的姿态控制性能，而该精度的实现在很大程度上取决于框架测角装置的分辨率与精度。作为微型执行机构，微型CMG在满足较高框架角测量精度的同时，还要满足体积小，重量轻，成本低，结构简单的要求，因此微型控制力矩陀螺在设计时，采用了永磁同步电机与增量式编码器的框架驱动与转角测量系统。与现在使用的旋转变压器或绝对式光栅相比，其重量降低了50％，功耗，体积也有大幅降低。

但是增量式编码器的缺点是不能给出绝对位置，会带来以下问题：

对于CMG，没有绝对框架角度，就不能给出整星需要的输出力矩方向；

对于框架驱动的永磁同步电机，无法定位转子的绝对位置就不能驱动电机正常旋转，也就不能对框架实施有效控制，框架相当于处于无控状态。

根据CMG的特点，当高速转子旋转时，在无控状态或不能稳定控制状态下，框架的抖动或转动会对外输出力矩，影响整星姿态；同时，当框架不能实施有效控制时，整星姿态变化产生的陀螺力矩作用在高速轴系上，会对高速轴系产生损伤。因此需对框架实施有效定位，且定位过程中不能出现大的抖动。

专利公开号CN101630638A和US9325263的专利文件中公开了一种利用高频信号注入来获取转子磁极位置的方法，该类方法对电流电压检测精度较高，算法较为复杂，工程实现，特别是在航天领域的工程实现较为困难。专利公开号CN106130430的专利文件中，公开了一种在电机三相绕组中的至少两相通入电流使转子完成定位，该方法会使电机出现较大幅度的转动，不能适用于CMG框架的定位应用。专利公开号CN1038561的专利文件中公开了一种利用电压脉冲注入法来确定转子磁极位置的方法，该方法消除了在定位过程中电机不必要的转动，但定位精度取决于电流等检测量的精度。上述方法仅能确定0-360°电角度上的位置，对于多极电机，无法确实际的机械角度位置。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种控制力矩陀螺框架零位稳定定位系统及方法。

本发明的技术解决方案是：

一种控制力矩陀螺框架零位稳定定位系统，该定位系统包括框架闭环控制子系统、转子位置预估子系统和框架位置锁定与绝对零位定位子系统；

所述的框架闭环控制子系统包括功率放大电路、PWM功率放大模块、旋转坐标反变换模块(dq-αβ)、d轴电流控制模块、三相/二相变换模块、旋转坐标变换模块(αβ-dq)、q轴电流控制模块、转速控制模块、编码器和永磁同步电机；编码器为有绝对零位标识的增量式编码器；

转速给定值ω^* _m与编码器测量的角度反馈实测值ω_m做差，得到转速偏差值，转速偏差值送入转速控制模块，转速控制模块将转速偏差值进行比例积分运算后，输出q轴电流给定值i^* _q，q轴电流给定值i^* _q与实测q轴电流值i_q做差，得到q轴电流偏差值，该q轴电流偏差值送入q轴电流控制模块，该q轴电流控制模块对q轴电流偏差值进行比例积分运算，得到q轴电压控制信号U_q；q轴电压控制信号U_q送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

d轴电流参考值i^* _d的给定值为0，d轴电流参考值i^* _d的给定值与d轴电流实测反馈值i_d做差，得到d轴电流偏差值，d轴电流偏差值送入d轴电流控制模块，d轴电流控制模块对d轴电流偏差值进行比例积分运算后，输出d轴电压控制信号U_d；d轴电压控制信号U_d送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

编码器测得的永磁同步电机的转角θ_m转换为相应的电角度值θ_e后送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

旋转坐标反变换模块(dq-αβ)根据接收到的θ_e、U_d、U_q进行计算得到两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*，计算公式如下：

将得到的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*送入PWM功率放大模块，PWM功率放大模块利用两相静止坐标系到三相ABC坐标系下的变换法则，由两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α*和v_β*得出电机定子三相相电压的指令值U_A、U_B、U_C，计算公式如下：

将计算得到的U_A、U_B、U_C通过功率放大电路驱动框架永磁同步电机旋转；

永磁同步电机的A相和B相电流i_A和i_B以及C相电流i_C送入三相/二相变换模块，三相/二相变换模块计算得出两相静止坐标系下的α，β轴电流i_α和i_β，计算公式如下：

将编码器测得的转角θ_m转换为相应的电角度值θ_e和i_α、i_β送入旋转坐标变换模块(αβ-dq)中，旋转坐标变换模块(αβ-dq)计算得到电机定子绕组电流中的励磁电流分量i_d和力矩电流分量i_q，计算公式如下：

所述的转子位置预估子系统包括功率放大电路、PWM功率放大模块、旋转坐标反变换模块(dq-αβ)、编码器、永磁同步电机和电角度预估模块，编码器为有绝对零位标识的增量式编码器；

将根据零位定位方法得到电角度的估计值θ’_e与U_d、U_q送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)，旋转坐标反变换模块(dq-αβ)计算得到两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*，计算公式如下：

其中，U_d为给定d轴指令电压，U_q为q轴指令电压，U_d给定值固定为0，U_q根据框架零位定位方法进行调整；

将得到的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*送入PWM功率放大模块，PWM功率放大模块利用两相静止坐标系到三相ABC坐标系下的变换法则，由两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α*和v_β*得出电机定子三相相电压的指令值U_A、U_B、U_C，计算公式如下：

将计算得到的U_A、U_B、U_C通过功率放大电路驱动框架永磁同步电机旋转，编码器测得的永磁同步电机转角增量值Δθ_c送入电角度预估模块，电角度预估模块根据框架零位定位方法输出电角度估计值θ’_e；

所述的框架位置锁定与绝对零位定位子系统包括功率放大电路、PWM功率放大模块、旋转坐标反变换模块(dq-αβ)、d轴电流控制模块、三相/二相变换模块、旋转坐标变换模块(αβ-dq)、q轴电流控制模块、转速控制模块、电角度预估模块、编码器和永磁同步电机；编码器为有绝对零位标识的增量式编码器；

转速给定值ω^* _m与编码器测量的角度反馈实测值ω_m做差，得到转速偏差值，转速偏差值送入转速控制模块，转速控制模块将转速偏差值进行比例积分运算后，输出q轴电流给定值i^* _q，q轴电流给定值i^* _q与实测q轴电流值i_q做差，得到q轴电流偏差值，该q轴电流偏差值送入q轴电流控制模块，该q轴电流控制模块对q轴电流偏差值进行比例积分运算，得到q轴电压控制信号U_q；q轴电压控制信号U_q送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

d轴电流参考值i^* _d的给定值为0，d轴电流参考值i^* _d的给定值与d轴电流实测反馈值i_d做差，得到d轴电流偏差值，d轴电流偏差值送入d轴电流控制模块，d轴电流控制模块对d轴电流偏差值进行比例积分运算后，输出d轴电压控制信号U_d；d轴电压控制信号U_d送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

编码器测得的永磁同步电机的转角增量值Δθ_c输出给电角度预估模块，电角度预估模块根据永磁同步电机转角增量值Δθ_c估计得到电角度估计值θ’_e，并将电角度估计值θ’_e送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

旋转坐标反变换模块(dq-αβ)根据接收到的θ’_e、U_d、U_q进行计算得到两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*，计算公式如下：

将得到的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*送入PWM功率放大模块，PWM功率放大模块利用两相静止坐标系到三相ABC坐标系下的变换法则，由两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α*和v_β*得出电机定子三相相电压的指令值U_A、U_B、U_C，计算公式如下：

将计算得到的U_A、U_B、U_C通过功率放大电路驱动框架永磁同步电机旋转；

永磁同步电机的A相和B相电流i_A和i_B以及C相电流i_C送入三相/二相变换模块，三相/二相变换模块计算得出两相静止坐标系下的α，β轴电流i_α和i_β，计算公式如下：

将电角度预估模块估计得到的电角度估计值θ’_e和i_α、i_β送入旋转坐标变换模块(αβ-dq)中，旋转坐标变换模块(αβ-dq)计算得到电机定子绕组电流中的励磁电流分量i_d和力矩电流分量i_q，计算公式如下：

上述三个子系统中的编码器的零位脉冲均通过CMG框架控制器实时进行采集。

一种控制力矩陀螺框架零位稳定定位方法，该方法的步骤包括：

(1)通过转子位置预估子系统获得电角度估计值θ’_e，若CMG框架控制器采集到编码器零位脉冲后执行步骤(4)，若CMG框架控制器未采集到编码器零位脉冲，则进入步骤(2)；

(2)通过框架位置锁定与绝对零位定位子系统获得永磁同步电机的转角增量值Δθ_c，并使用步骤(1)得到的电角度估计值θ’_e对步骤(2)得到的转角增量值Δθ_c进行更新，更新公式为：

θ'_e新＝θ’_e+Δθ_c×n_p

n_p为永磁同步电机极对数；

同时，设定转速给定值ω_m ^*为0；

若CMG框架控制器采集到编码器零位脉冲后执行步骤(4)，若CMG框架控制器未采集到编码器零位脉冲，则进入步骤(3)；

(3)通过框架位置锁定与绝对零位定位子系统获得永磁同步电机的转角增量值Δθ_c，并使用步骤(3)得到的转角增量值Δθ_c对步骤(2)得到的转角值θ’_e新进行更新，更新公式为：

θ'_e新新＝θ’_e新+Δθ_c×n_p

n_p为永磁同步电机极对数；

同时，设定转速给定值ω_m ^*不为0；

若CMG框架控制器采集到编码器零位脉冲后执行步骤(4)，若CMG框架控制器未采集到编码器零位脉冲，则继续进行搜索零位脉冲，直至搜索到零位脉冲后执行步骤(4)；

(4)对框架闭环控制子系统得到的电角度值θ_e清零、对转速控制模块的积分寄存器清零、将转速给定值ω_m ^*置为0，锁定框架永磁同步电机。

所述的q轴电压给定值U_q为一常值U_qset，该常值U_qset的确定方法为：

在q轴施加电压U_qset，在最大预估时间T_P内，框架永磁同步电机的旋转最大角速度小于ω_mpre；

ω_mpre根据卫星能够承受的扰动力矩和CMG角动量计算得到：

M＝H×ω_mpre

M为卫星承受的扰动力矩；

H为CMG角动量。

ω_mpre小于0.02°/s；

电角度估计值θ’_e的确定方法为：

使磁场电角度估计值θ’_e从0°开始，以固定值Δθ为步长递增，Δθ的选取范围为小于30°，可保证预估误差不影响框架永磁同步电机的控制，但考虑到预估过程只是确定电角度大致位置，Δθ过小会增大预估时间。综合考虑预估效率，Δθ可在20-30°之间选取；

对每个θ’_e，根据编码器测得的角度增量Δθ_c，计算一个周期时间T内的框架转动的平均角速度ω_m(k)，

ω_m(k)＝Δθ_c/T

该时间T可选择电机时间常数的4-5倍，按如下方法确定电角度预估值θ’_e：

判断框架转速是否过大：

若ω_m(k)>ω_mpre，则U_q＝0；U_qset＝U_qset×(1-10％)；延时1s后，U_q＝U_qset，进入下一周期；

判断相邻两拍平均转动角速度关系：

Δω_m＝ω_m(k)-ω_m(k-1)

判断框架转子位置：

若ω_m(k-1)>0

若Δω_m>0则θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

若Δω_m＝0

判断是否力矩过小导致无法驱动转子转动：

如果计数值Count为0，则计数值Count加1；θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

如果计数值Count为1,则计数值Count清零；U_qset＝U_qset×(1+10％)；

θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

若Δω_m<0则θ’_e＝θ’_e(k)-Δθ/2+180°-90°结束预估；

若ω_m(k-1)<0

若Δω_m<0则θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

若Δω_m＝0

判断是否力矩过小导致无法驱动转子转动：

如果计数值Count为0,则计数值Count加1；θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

如果计数值Count为1,则计数值Count清零；U_qset＝U_qset×(1+10％)；

θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

若Δω_m>0则θ’_e＝θ’_e(k)-Δθ/2-90°结束预估；

若ω_m(k-1)＝0则θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

理论上的最大预估时间T_P＝T×(2+180/Δθ)。

与现有技术方案相比，该方法具有如下优点：

(1)调节施加恒定幅值的框架电机定子磁场方向，通过判断框架转动角速度来定位框架电机转子位置，实现转子电角度预估。由于限定了施加驱动电流，确保了框架在预估过程中以极低转速转动，起到了控制CMG输出扰动力矩的作用；下图为转子电角度预估过程中，框架转速变化情况，本方法可以在短时间内完成角度预估，在预估过程中，框架转动角速度可限定在较小范围内。

(2)利用预估电角度，可有效锁定框架，建立框架稳定工作状态。避免了由于重新加电导致框架失控、CMG角动量方向大幅度变化对卫星姿态的影响，也保证了高速轴系的安全；

(3)利用预估电角度，通过转速闭环控制框架转动，进行绝对零位定位，确定精确的框架绝对位置。

(4)本方法不增加新的硬件结构，软件上复用了框架正常模式(绝对零位定位后工作模式)控制系统中的软件模块，新增模块少，对原控制系统影响很小，具有很好的实用性。

(5)基于一种采用永磁同步电机作为框架驱动装置，带有绝对零位的增量式编码器作为框架转角测量装置的CMG框架系统。本发明提出的CMG框架零位稳定定位方法，可保证产品初次加电或重新加电时快速锁定框架，锁定过程产生可控的输出力矩，不会对整星姿态产生影响；采用转速闭环控制转动框架，保证CMG在力矩受控状态下完成绝对位置标定，使CMG迅速建立(恢复)工作状态，消除未知状态，保证安全。该方法包括：转子位置预估，框架位置锁定，绝对零位搜索与定位。该方法能实现如下功能：通过转子位置预估得到转子所在电角度的近似值；采用该近似值进行磁场定向，锁定CMG框架。锁定框架给CMG提供了一个稳定、安全的运行状态，可根据实际情况选择进入下一步绝对零位搜索与定位；进行转速闭环控制，转动框架，根据增量式编码器的零位脉冲信号将增量位置信号标定为绝对位置信号，完成CMG框架零位定位。

附图说明

图1为框架闭环控制子系统组成示意图；

图2为转子位置预估子系统组成示意图；

图3为框架位置锁定与绝对零位定位子系统组成示意图；

图4为框架电机转子位置预估过程示意图；

图5为实施例得到的框架永磁同步电机转速变化情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1-图4所示，一种控制力矩陀螺框架零位稳定定位系统，该定位系统包括框架闭环控制子系统、转子位置预估子系统和框架位置锁定与绝对零位定位子系统；

所述的框架闭环控制子系统包括功率放大电路、PWM功率放大模块、旋转坐标反变换模块(dq-αβ)、d轴电流控制模块、三相/二相变换模块、旋转坐标变换模块(αβ-dq)、q轴电流控制模块、转速控制模块、编码器和永磁同步电机；编码器为有绝对零位标识的增量式编码器；

转速给定值ω^* _m与编码器测量的角度反馈实测值ω_m做差，得到转速偏差值，转速偏差值送入转速控制模块，转速控制模块将转速偏差值进行比例积分运算后，输出q轴电流给定值i^* _q，q轴电流给定值i^* _q与实测q轴电流值i_q做差，得到q轴电流偏差值，该q轴电流偏差值送入q轴电流控制模块，该q轴电流控制模块对q轴电流偏差值进行比例积分运算，得到q轴电压控制信号U_q；q轴电压控制信号U_q送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

d轴电流参考值i^* _d的给定值为0，d轴电流参考值i^* _d的给定值与d轴电流实测反馈值i_d做差，得到d轴电流偏差值，d轴电流偏差值送入d轴电流控制模块，d轴电流控制模块对d轴电流偏差值进行比例积分运算后，输出d轴电压控制信号U_d；d轴电压控制信号U_d送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

编码器测得的永磁同步电机的转角θ_m转换为相应的电角度值θ_e后送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

旋转坐标反变换模块(dq-αβ)根据接收到的θ_e、U_d、U_q进行计算得到两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*，计算公式如下：

将得到的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*送入PWM功率放大模块，PWM功率放大模块利用两相静止坐标系到三相ABC坐标系下的变换法则，由两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α*和v_β*得出电机定子三相相电压的指令值U_A、U_B、U_C，计算公式如下：

将计算得到的U_A、U_B、U_C通过功率放大电路驱动框架永磁同步电机旋转；

永磁同步电机的A相和B相电流i_A和i_B以及C相电流i_C送入三相/二相变换模块，三相/二相变换模块计算得出两相静止坐标系下的α，β轴电流i_α和i_β，计算公式如下：

将编码器测得的转角θ_m转换为相应的电角度值θ_e和i_α、i_β送入旋转坐标变换模块(αβ-dq)中，旋转坐标变换模块(αβ-dq)计算得到电机定子绕组电流中的励磁电流分量i_d和力矩电流分量i_q，计算公式如下：

所述的转子位置预估子系统包括功率放大电路、PWM功率放大模块、旋转坐标反变换模块(dq-αβ)、编码器、永磁同步电机和电角度预估模块，编码器为有绝对零位标识的增量式编码器；

将根据零位定位方法得到电角度的估计值θ’_e与U_d、U_q送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)，旋转坐标反变换模块(dq-αβ)计算得到两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*，计算公式如下：

其中，U_d为给定d轴指令电压，U_q为q轴指令电压，U_d给定值固定为0，U_q根据框架零位定位方法进行调整；

将得到的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*送入PWM功率放大模块，PWM功率放大模块利用两相静止坐标系到三相ABC坐标系下的变换法则，由两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α*和v_β*得出电机定子三相相电压的指令值U_A、U_B、U_C，计算公式如下：

将计算得到的U_A、U_B、U_C通过功率放大电路驱动框架永磁同步电机旋转，编码器测得的永磁同步电机转角增量值Δθ_c送入电角度预估模块，电角度预估模块根据框架零位定位方法输出电角度估计值θ’_e；

所述的框架位置锁定与绝对零位定位子系统包括功率放大电路、PWM功率放大模块、旋转坐标反变换模块(dq-αβ)、d轴电流控制模块、三相/二相变换模块、旋转坐标变换模块(αβ-dq)、q轴电流控制模块、转速控制模块、电角度预估模块、编码器和永磁同步电机；编码器为有绝对零位标识的增量式编码器；

转速给定值ω^* _m与编码器测量的角度反馈实测值ω_m做差，得到转速偏差值，转速偏差值送入转速控制模块，转速控制模块将转速偏差值进行比例积分运算后，输出q轴电流给定值i^* _q，q轴电流给定值i^* _q与实测q轴电流值i_q做差，得到q轴电流偏差值，该q轴电流偏差值送入q轴电流控制模块，该q轴电流控制模块对q轴电流偏差值进行比例积分运算，得到q轴电压控制信号U_q；q轴电压控制信号U_q送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

d轴电流参考值i^* _d的给定值为0，d轴电流参考值i^* _d的给定值与d轴电流实测反馈值i_d做差，得到d轴电流偏差值，d轴电流偏差值送入d轴电流控制模块，d轴电流控制模块对d轴电流偏差值进行比例积分运算后，输出d轴电压控制信号U_d；d轴电压控制信号U_d送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

编码器测得的永磁同步电机的转角增量值Δθ_c输出给电角度预估模块，电角度预估模块根据永磁同步电机转角增量值Δθ_c估计得到电角度估计值θ’_e，并将电角度估计值θ’_e送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

旋转坐标反变换模块(dq-αβ)根据接收到的θ’_e、U_d、U_q进行计算得到两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*，计算公式如下：

将得到的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*送入PWM功率放大模块，PWM功率放大模块利用两相静止坐标系到三相ABC坐标系下的变换法则，由两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α*和v_β*得出电机定子三相相电压的指令值U_A、U_B、U_C，计算公式如下：

将计算得到的U_A、U_B、U_C通过功率放大电路驱动框架永磁同步电机旋转；

永磁同步电机的A相和B相电流i_A和i_B以及C相电流i_C送入三相/二相变换模块，三相/二相变换模块计算得出两相静止坐标系下的α，β轴电流i_α和i_β，计算公式如下：

将电角度预估模块估计得到的电角度估计值θ’_e和i_α、i_β送入旋转坐标变换模块(αβ-dq)中，旋转坐标变换模块(αβ-dq)计算得到电机定子绕组电流中的励磁电流分量i_d和力矩电流分量i_q，计算公式如下：

上述三个子系统中的编码器的零位脉冲均通过CMG框架控制器实时进行采集。

一种控制力矩陀螺框架零位稳定定位方法，该方法的步骤包括：

(1)通过转子位置预估子系统获得电角度估计值θ’_e，若CMG框架控制器采集到编码器零位脉冲后执行步骤(4)，若CMG框架控制器未采集到编码器零位脉冲，则进入步骤(2)；

(2)通过框架位置锁定与绝对零位定位子系统获得永磁同步电机的转角增量值Δθ_c，并使用步骤(1)得到的电角度估计值θ’_e对步骤(2)得到的转角增量值Δθ_c进行更新，更新公式为：

θ'_e新＝θ’_e+Δθ_c×n_p

n_p为永磁同步电机极对数；

同时，设定转速给定值ω_m ^*为0；

若CMG框架控制器采集到编码器零位脉冲后执行步骤(4)，若CMG框架控制器未采集到编码器零位脉冲，则进入步骤(3)；

(3)通过框架位置锁定与绝对零位定位子系统获得永磁同步电机的转角增量值Δθ_c，并使用步骤(3)得到的转角增量值Δθ_c对步骤(2)得到的转角值θ’_e新进行更新，更新公式为：

θ'_e新新＝θ’_e新+Δθ_c×n_p

n_p为永磁同步电机极对数；

同时，设定转速给定值ω_m ^*不为0；

若CMG框架控制器采集到编码器零位脉冲后执行步骤(4)，若CMG框架控制器未采集到编码器零位脉冲，则继续进行搜索零位脉冲，直至搜索到零位脉冲后执行步骤(4)；

(4)对框架闭环控制子系统得到的电角度值θ_e清零、对转速控制模块的积分寄存器清零、将转速给定值ω_m ^*置为0，锁定框架永磁同步电机。

所述的q轴电压给定值U_q为一常值U_qset，该常值U_qset的确定方法为：

在q轴施加电压U_qset，在最大预估时间T_P内，框架永磁同步电机的旋转最大角速度小于ω_mpre；

ω_mpre根据卫星能够承受的扰动力矩和CMG角动量计算得到：

M＝H×ω_mpre

M为卫星承受的扰动力矩；

H为CMG角动量。

ω_mpre小于0.02°/s；

电角度估计值θ’_e的确定方法为：

使磁场电角度估计值θ’_e从0°开始，以固定值Δθ为步长递增，Δθ的选取范围为小于30°，可保证预估误差不影响框架永磁同步电机的控制，但考虑到预估过程只是确定电角度大致位置，Δθ过小会增大预估时间。综合考虑预估效率，Δθ可在20-30°之间选取；

对每个θ’_e，根据编码器测得的角度增量Δθ_c，计算一个周期时间T内的框架转动的平均角速度ω_m(k)，

ω_m(k)＝Δθ_c/T

该时间T可选择电机时间常数的4-5倍，按如下方法确定电角度预估值θ’_e：

判断框架转速是否过大：

若ω_m(k)>ω_mpre，则U_q＝0；U_qset＝U_qset×(1-10％)；延时1s后，U_q＝U_qset，进入下一周期；

判断相邻两拍平均转动角速度关系：

Δω_m＝ω_m(k)-ω_m(k-1)

判断框架转子位置：

若ω_m(k-1)>0

若Δω_m>0则θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

若Δω_m＝0

判断是否力矩过小导致无法驱动转子转动：

如果计数值Count为0，则计数值Count加1；θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

如果计数值Count为1,则计数值Count清零；U_qset＝U_qset×(1+10％)；

θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

若Δω_m<0则θ’_e＝θ’_e(k)-Δθ/2+180°-90°结束预估；

若ω_m(k-1)<0

若Δω_m<0则θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

若Δω_m＝0

判断是否力矩过小导致无法驱动转子转动：

如果计数值Count为0,则计数值Count加1；θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

如果计数值Count为1,则计数值Count清零；U_qset＝U_qset×(1+10％)；

θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

若Δω_m>0则θ’_e＝θ’_e(k)-Δθ/2-90°结束预估；

若ω_m(k-1)＝0则θ’_e(k+1)＝θ’_e(k)+Δθ；进入下一周期；

理论上的最大预估时间T_P＝T×(2+180/Δθ)。

实施例

按照本发明所描述方法进行了实施。转子电角度预估过程中，框架永磁同步电机转速变化情况，如图5所示。本方法可以在短时间内完成角度预估，在预估过程中，框架转动角速度可限定在较小范围内。

Claims (4)

1.一种控制力矩陀螺框架零位稳定定位系统，其特征在于：该定位系统包括框架闭环控制子系统、转子位置预估子系统和框架位置锁定与绝对零位定位子系统；

所述的框架闭环控制子系统包括功率放大电路、PWM功率放大模块、旋转坐标反变换模块(dq-αβ)、d轴电流控制模块、三相/二相变换模块、旋转坐标变换模块(αβ-dq)、q轴电流控制模块、转速控制模块、编码器和永磁同步电机；

框架闭环控制子系统中，转速给定值ω^* _m与编码器测量的角度反馈实测值ω_m做差，得到转速偏差值，转速偏差值送入转速控制模块，转速控制模块将转速偏差值进行比例积分运算后，输出q轴电流给定值i^* _q，q轴电流给定值i^* _q与实测q轴电流值i_q做差，得到q轴电流偏差值，该q轴电流偏差值送入q轴电流控制模块，该q轴电流控制模块对q轴电流偏差值进行比例积分运算，得到q轴电压控制信号U_q；q轴电压控制信号U_q送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

d轴电流参考值i^* _d的给定值为0，d轴电流参考值i^* _d的给定值与d轴电流实测反馈值i_d做差，得到d轴电流偏差值，d轴电流偏差值送入d轴电流控制模块，d轴电流控制模块对d轴电流偏差值进行比例积分运算后，输出d轴电压控制信号U_d；d轴电压控制信号U_d送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

编码器测得的永磁同步电机的转角θ_m转换为相应的电角度值θ_e后送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

旋转坐标反变换模块(dq-αβ)根据接收到的θ_e、U_d、U_q进行计算得到两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*，计算公式如下：

将得到的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*送入PWM功率放大模块，PWM功率放大模块利用两相静止坐标系到三相ABC坐标系下的变换法则，由两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*得出电机定子三相相电压的指令值U_A、U_B、U_C，计算公式如下：

将计算得到的U_A、U_B、U_C通过功率放大电路驱动框架永磁同步电机旋转；永磁同步电机的A相和B相电流i_A和i_B以及C相电流i_C送入三相/二相变换模块，三相/二相变换模块计算得出两相静止坐标系下的α，β轴电流i_α和i_β，计算公式如下：

将编码器测得的转角θ_m转换为相应的电角度值θ_e和i_α、i_β送入旋转坐标变换模块(αβ-dq)中，旋转坐标变换模块(αβ-dq)计算得到电机定子绕组电流中的励磁电流分量i_d和力矩电流分量i_q，计算公式如下：

所述的转子位置预估子系统包括功率放大电路、PWM功率放大模块、旋转坐标反变换模块(dq-αβ)、编码器、永磁同步电机和电角度预估模块；

将根据零位定位方法得到电角度的估计值θ’_e与U_d、U_q送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)，旋转坐标反变换模块(dq-αβ)计算得到两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*，计算公式如下：

其中，U_d为给定d轴指令电压，U_q为q轴指令电压，U_d给定值固定为0，U_q根据框架零位定位方法进行调整；

将得到的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*送入PWM功率放大模块，PWM功率放大模块利用两相静止坐标系到三相ABC坐标系下的变换法则，由两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*得出电机定子三相相电压的指令值U_A、U_B、U_C，计算公式如下：

将计算得到的U_A、U_B、U_C通过功率放大电路驱动框架永磁同步电机旋转，编码器测得的永磁同步电机转角增量值Δθ_c送入电角度预估模块，电角度预估模块根据框架零位定位方法输出电角度估计值θ’_e；

所述的框架位置锁定与绝对零位定位子系统包括功率放大电路、PWM功率放大模块、旋转坐标反变换模块(dq-αβ)、d轴电流控制模块、三相/二相变换模块、旋转坐标变换模块(αβ-dq)、q轴电流控制模块、转速控制模块、电角度预估模块、编码器和永磁同步电机。

2.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺框架零位稳定定位系统，其特征在于：转速给定值ω^* _m与编码器测量的角度反馈实测值ω_m做差，得到转速偏差值，转速偏差值送入转速控制模块，转速控制模块将转速偏差值进行比例积分运算后，输出q轴电流给定值i^* _q，q轴电流给定值i^* _q与实测q轴电流值i_q做差，得到q轴电流偏差值，该q轴电流偏差值送入q轴电流控制模块，该q轴电流控制模块对q轴电流偏差值进行比例积分运算，得到q轴电压控制信号U_q；q轴电压控制信号U_q送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

d轴电流参考值i^* _d的给定值为0，d轴电流参考值i^* _d的给定值与d轴电流实测反馈值i_d做差，得到d轴电流偏差值，d轴电流偏差值送入d轴电流控制模块，d轴电流控制模块对d轴电流偏差值进行比例积分运算后，输出d轴电压控制信号U_d；d轴电压控制信号U_d送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

编码器测得的永磁同步电机的转角增量值Δθ_c输出给电角度预估模块，电角度预估模块根据永磁同步电机转角增量值Δθ_c估计得到电角度估计值θ’_e，并将电角度估计值θ’_e送入旋转坐标反变换模块(dq-αβ)；

旋转坐标反变换模块(dq-αβ)根据接收到的θ’_e、U_d、U_q进行计算得到两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*，计算公式如下：

将得到的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*送入PWM功率放大模块，PWM功率放大模块利用两相静止坐标系到三相ABC坐标系下的变换法则，由两相静止坐标系下的α，β轴的电压指令值v_α ^*和v_β ^*得出电机定子三相相电压的指令值U_A、U_B、U_C，计算公式如下：

将计算得到的U_A、U_B、U_C通过功率放大电路驱动框架永磁同步电机旋转；永磁同步电机的A相和B相电流i_A和i_B以及C相电流i_C送入三相/二相变换模块，三相/二相变换模块计算得出两相静止坐标系下的α，β轴电流i_α和i_β，计算公式如下：

将电角度预估模块估计得到的电角度估计值θ’_e和i_α、i_β送入旋转坐标变换模块(αβ-dq)中，旋转坐标变换模块(αβ-dq)计算得到电机定子绕组电流中的励磁电流分量i_d和力矩电流分量i_q，计算公式如下：

3.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺框架零位稳定定位系统，其特征在于：编码器为有绝对零位标识的增量式编码器。

4.一种使用权利要求1所述的控制力矩陀螺框架零位稳定定位系统进行控制力矩陀螺框架零位稳定定位方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)通过转子位置预估子系统获得电角度估计值θ’_e，若CMG框架控制器采集到编码器零位脉冲后执行步骤(4)，若CMG框架控制器未采集到编码器零位脉冲，则进入步骤(2)；

(2)通过框架位置锁定与绝对零位定位子系统获得永磁同步电机的转角增量值Δθ_c，并使用步骤(1)得到的电角度估计值θ’_e对步骤(2)得到的转角增量值Δθ_c进行更新，更新公式为：

θ'_e新＝θ’_e+Δθ_c×n_p

n_p为永磁同步电机极对数；

同时，设定转速给定值ω_m ^*为0；

若CMG框架控制器采集到编码器零位脉冲后执行步骤(4)，若CMG框架控制器未采集到编码器零位脉冲，则进入步骤(3)；

(3)通过框架位置锁定与绝对零位定位子系统获得永磁同步电机的转角增量值Δθ_c，并使用步骤(3)得到的转角增量值Δθ_c对步骤(2)得到的转角值θ’_e新进行更新，更新公式为：

θ'_e新新＝θ’_e新+Δθ_c×n_p

n_p为永磁同步电机极对数；

同时，设定转速给定值ω_m ^*不为0；

若CMG框架控制器采集到编码器零位脉冲后执行步骤(4)，若CMG框架控制器未采集到编码器零位脉冲，则继续进行搜索零位脉冲，直至搜索到零位脉冲后执行步骤(4)；

(4)对框架闭环控制子系统得到的电角度值θ_e清零、对转速控制模块的积分寄存器清零、将转速给定值ω_m ^*置为0，锁定框架永磁同步电机。

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