CN116902228B - 一种飞轮系统及其驱动控制方法，电子设备和存储介质 - Google Patents

一种飞轮系统及其驱动控制方法，电子设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种飞轮系统及其驱动控制方法，电子设备和存储介质，其属于反作用飞轮控制技术领域，所述系统包括编码器、三个开关霍尔传感器、壳体、飞轮体和控制线路板。所述驱动控制方法采用新驱动方式，构建了电流对力矩的线性关系，使得可以直接使用电流控制方式对飞轮进行控制。由于改善了系统的非线性，使得设计前期的仿真分析的模型准确度更高。

Description

一种飞轮系统及其驱动控制方法，电子设备和存储介质
技术领域
本发明涉及反作用飞轮控制技术领域，特别是涉及一种飞轮系统及其驱动控制方法，电子设备和存储介质，具体涉及一种应用于微小卫星的高精度的飞轮系统及其驱动控制方法。
背景技术
卫星姿控反作用飞轮的控制方式一般有速度控制、力矩控制和电流控制。速度控制方式为姿态控制系统预先将卫星需要的力矩，转化为飞轮的转速变化量，通过控制飞轮的转速实现对卫星的控制。力矩控制方式为姿态控制系统直接将卫星需要的力矩输入给飞轮，飞轮直接对自身力矩进行控制。电流控制方式为姿态控制系统将所需的力矩转化为电流，对电流进行控制。现有技术中常采用速度控制方式，主要是由于：（1）采用力矩控制时，需要飞轮自身能够对外界扰动力进行准确的估计；（2）无刷直流电机的特性，力矩和电流表现为非线性，无法将力矩简单的转换为电流进行控制。
发明内容
本发明是针对力矩与电流的非线性关系，采用电流控制方式不方便实现对卫星力矩控制的问题，提出了一种飞轮系统及其驱动控制方法，电子设备和存储介质。所述驱动控制方法构建了输出力矩与指令电流的线性关系。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种飞轮系统，所述系统包括编码器、三个开关霍尔传感器、壳体、飞轮体和控制线路板；壳体内部安装飞轮体和控制线路板，飞轮体包含电机和轴承单元，电机由电机定子和转子组成，且与三个开关霍尔传感器集成一体，三个开关霍尔传感器相互间隔120度电角度，直接安置在定子骨架上；所述轴承单元是飞轮体的支承部件；所述编码器作为速度传感器，检测飞轮旋转方向信息和速度信息；编码器用码盘固定到旋转部件上，读数头固定在旋转部件上，当电机转动时，带动编码器的码盘同步转动，编码器输出频率与转速成正比的方波脉冲序列。
进一步地，采用开关霍尔传感器检测转子磁极位置，用于决定飞轮电机的换相，同时作为备份速度传感器。
进一步地，采用固定轴承外圈，轴承内圈旋转的方式保证飞轮整体结构紧凑。
本发明提出一种基于所述的飞轮系统的驱动控制方法，所述方法具体为：针对飞轮电机运行期间，通过计算临界电流，区分为小电流不连续状态和大电流连续状态，对两种状态下的绕组电流进行准确表征，并对输出占空比采用不同的控制形式；
在PWM导通时，电机绕组充电，绕组电流增加；在PWM关断时，电机绕组续流，电流减小；当在占空比的中间时刻对绕组相电流采样，在小电流不连续的状态下，平均电流与占空比呈现非线性，所述的飞轮系统的驱动控制方法，将对电流的控制转化为直接对占空比的开环控制；当电流持续增大至超过临界状态时，进行占空比的闭环控制；计算得到控制电机电枢占空比，经由PWM输出固定频率的占空比的控制信号至电机驱动器，驱动器按照预设方式导通相应功率开关管，从而导通对应相绕组，驱动飞轮电机旋转。
进一步地，所述电机的控制过程包括电动运行状态和制动状态，在电动运行状态中，采用PWM输出信号频率固定，占空比变化的方式对电机进行控制；一个PWM周期内，在PWM导通状态下，电机绕组处于充电状态，绕组电流逐渐增大；在PWM关断状态下，电机绕组处于续流状态，绕组电流逐渐减小。
进一步地，所述小电流不连续状态具体为：
如果占空比在最小和临界占空比之间，则在一个PWM周期内，PWM导通时间短，即绕组电流上升时间短；公式（1）为电流上升段曲线斜率和持续时间，公式（2）为电流下降段曲线斜率和持续时间；在一个PWM周期内的电流进行积分，求取得到积分面积S公式（3）所示；
（1）
（2）
（3）
其中，表示母线电压，/>表示反电动势，/>表示相电感，/>表示PWM周期，/>表示占空比，电流最大值Imax如公式（4）所示，由此，在一个PWM周期内的平均电流I由公式（5）可计算得到，平均电流I和占空比/>为非线性关系；
（4）
（5）
其中，（6）
当占空比持续增大，增大到公式（7）的临界状态时，得到公式（8）~（9）的临界占空比和临界电流/>；
（7）
（8）
（9）。
进一步地，所述大电流连续状态具体为：
如果占空比增至大于临界占空比，则在一个PWM周期内，PWM导通时间变长，即绕组电流上升时间长；此时电流的积分面积S如公式（10）所示，在一个PWM周期内的平均电流I如公式（11）所示；即此种情况下的PWM中间时刻采样电流值就表征了绕组电流状态，用中间时刻采样电流参与电流的闭环控制；
（10）
（11）；
其中，表示电流最小值，/>表示电流最大值。
进一步地，在电动运行状态下，根据指令电流的取值，以临界电流I0为分界，当指令电流的模值小于等于临界电流时，占空比按照公式（12）输出，开环控制；当指令电流的模值大于临界电流时，进行占空比的闭环控制；
（12）
制动状态情况下，与电动运行状态同理，按公式（13）输出；
（13）。
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于所述的飞轮系统的驱动控制方法的步骤。
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种基于所述的飞轮系统的驱动控制方法的步骤。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种飞轮系统及其驱动控制方法，所述驱动控制方法采用新驱动方式，构建了电流对力矩的线性关系，使得可以直接使用电流控制方式对飞轮进行控制。由于改善了系统的非线性，使得设计前期的仿真分析的模型准确度更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是飞轮系统结构组成框图。
图2 是不同占空比下电流状态图。
图3 是两种驱动方式下指令电流与实测速度的关系图。
图4 是两种驱动方式下指令电流与输出力矩关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1-图4，本发明提出一种飞轮系统，所述系统包括编码器、三个开关霍尔传感器、壳体、飞轮体和控制线路板；壳体内部安装飞轮体和控制线路板，飞轮体包含电机和轴承单元，电机由电机定子和转子组成，且与三个开关霍尔传感器集成一体，三个开关霍尔传感器相互间隔120度电角度，直接安置在定子骨架上；所述轴承单元是飞轮体的支承部件；所述编码器作为速度传感器，检测飞轮旋转方向信息和速度信息；编码器用码盘固定到旋转部件上，读数头固定在旋转部件上，当电机转动时，带动编码器的码盘同步转动，编码器输出频率与转速成正比的方波脉冲序列，两组脉冲序列A与B相位相差90度，在不增加编码器磁极个数的情况下，经过倍频进一步提高转速分辨率。
采用开关霍尔传感器检测转子磁极位置，用于决定飞轮电机的换相，同时作为备份速度传感器；将霍尔传感器直接安置在定子骨架上，实现电机与霍尔传感器的一体化设计。
飞轮体包含电机定子、电机转子和轴承单元。由于需将编码器用码盘固定到旋转部件上，读数头固定在旋转部件上。为了匹配编码器的使用，本发明推翻传统轴承组件为固定轴承内圈，轴承外圈旋转的设计方式。采用固定轴承外圈，轴承内圈旋转，保证码盘安装简洁，同时降低固定零件数量和减小零件尺寸，保证飞轮整体结构紧凑，实现高集成。
本发明提出一种基于所述的飞轮系统的驱动控制方法，所述方法具体为：针对飞轮电机运行期间，通过计算临界电流，区分为小电流不连续状态和大电流连续状态，对两种状态下的绕组电流进行准确表征，并对输出占空比采用不同的控制形式；
在PWM导通时，电机绕组充电，绕组电流增加；在PWM关断时，电机绕组续流，电流减小；当在占空比的中间时刻对绕组相电流采样，在小电流不连续的状态下，平均电流与占空比呈现非线性，所述的飞轮系统的驱动控制方法，将对电流的控制转化为直接对占空比的开环控制；当电流持续增大至超过临界状态时，进行占空比的闭环控制；计算得到控制电机电枢占空比，经由PWM输出固定频率的占空比的控制信号至电机驱动器，驱动器按照预设方式导通相应功率开关管，从而导通对应相绕组，驱动飞轮电机旋转。
为实现指令电流对输出力矩的线性控制，所述电机的控制过程包括电动运行状态和制动状态，在电动运行状态中，采用PWM输出信号频率固定，占空比变化的方式对电机进行控制；一个PWM周期内，在PWM导通状态下，电机绕组处于充电状态，绕组电流逐渐增大；在PWM关断状态下，电机绕组处于续流状态，绕组电流逐渐减小。
所述小电流不连续状态具体为：
如果占空比在最小和临界占空比之间，则在一个PWM周期内，PWM导通时间短，即绕组电流上升时间短；如图2所示的小电流不连续状态的情况，公式（1）为电流上升段曲线斜率和持续时间，公式（2）为电流下降段曲线斜率和持续时间；在一个PWM周期内的电流进行积分，求取得到积分面积S公式（3）所示；
（1）
（2）
（3）
其中，表示母线电压，/>表示反电动势，/>表示相电感，/>表示PWM周期，/>表示占空比，电流最大值Imax如公式（4）所示，由此，在一个PWM周期内的平均电流I由公式（5）可计算得到，平均电流I和占空比/>为非线性关系；
（4）
（5）
其中，（6）
当占空比持续增大，增大到公式（7）的临界状态时，得到公式（8）~（9）的临界占空比和临界电流/>；
（7）
（8）
（9）。
所述大电流连续状态具体为：
如果占空比增至大于临界占空比，则在一个PWM周期内，PWM导通时间变长，即绕组电流上升时间长；如图2所示的大电流连续状态的情况，此时电流的积分面积S如公式（10）所示，在一个PWM周期内的平均电流I如公式（11）所示；即此种情况下的PWM中间时刻采样电流值就表征了绕组电流状态，用中间时刻采样电流参与电流的闭环控制；
（10）
（11）；
其中，表示电流最小值，/>表示电流最大值。
综上，在电动运行状态下，根据指令电流的取值，以临界电流I0为分界，当指令电流的模值小于等于临界电流时，占空比按照公式（12）输出，开环控制；当指令电流的模值大于临界电流时，进行占空比的闭环控制；
（12）
制动状态情况下，与电动运行状态同理，按公式（13）输出；
（13）。
结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。
图1为本发明采用的飞轮系统结构组成框图，具体包括编码器、三个开关霍尔传感器、壳体、飞轮体和控制线路板。壳体由盖板、底座两部分组成，壳体内部安装飞轮体和控制线路板。电机采用无铁永磁无刷直流电机，由电机定子和转子组成，且与三个开关霍尔传感器集成一体，三个霍尔传感器件相互间隔120度电角度，直接安置在定子骨架上，所述飞轮体主要提供所需的转动惯量。电机定子绕组为三相星形连接。轴承单元是飞轮结构重要的支承部件，要求能满足力学要求和高的可靠性，同时由于需要将编码器用码盘固定到旋转部件上，本发明固定轴承外圈，轴承内圈旋转，保证磁铁安装简洁，保证飞轮整体结构紧凑。控制线路板上部放置散热板，用于功率器件散热。
图2为指令电流与占空比的关系图。此型号飞轮设计最大电流为1A，输出最大力矩≥3mNm。在PWM导通时，电机绕组充电，绕组电流增加；在PWM关断时，电机绕组续流，电流减小。当在占空比的中间时刻对绕组相电流采样，在小电流不连续的状态下，平均电流与占空比呈现非线性。当电流持续增大至公式（1）的临界状态时，计算得到临界电流为公式（2），然后转化为开环控制电压，进而计算得到控制电机电枢占空比。经由PWM输出固定频率的占空比的控制信号至电机驱动器，驱动器按照预设方式导通相应功率开关管，从而导通对应相绕组，驱动飞轮电机旋转。
控制系统设计PWM频率为20KHz，即PWM周期为T为50us；母线电压U为12V，相电感L为0.228mH，力矩系数为0.01，根据现有参数可求得不同转速下的反电动势E的值，并可按照公式（8）和公式（9）计算得到临界电流和临界占空比/>。
图3为新旧两种驱动方式下，相同指令电流下，指令电流与转速的关系。采用旧驱动方式时，无论占空比大小，均在占空比的中间时刻进行电流采样，将该采样时刻的电流值当做绕组电流参与闭环控制，采样电流值和绕组真实电流存在偏差；采用新驱动方式时，通过对电流积分的方式，求取的平均电流能够真实表征绕组电流值。相同的指令电流0.6A的情况下，采用新驱动方式时，能够达到更高转速。
图4为指令电流与力矩的关系图，给出了飞轮在不同指令电流下，传统驱动方法和新驱动方法的输出力矩与指令电流的响应曲线，可以看出，新驱动方法构建了指令电流与输出力矩之间良好的线性关系。
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于所述的飞轮系统的驱动控制方法的步骤。
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种基于所述的飞轮系统的驱动控制方法的步骤。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（read only memory，ROM）、可编程只读存储器（programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（erasablePROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（electrically EPROM，EEPROM）或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器（random access memory，RAM），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM 可用，例如静态随机存取存储器（static RAM，SRAM）、动态随机存取存储器（dynamic RAM，DRAM）、同步动态随机存取存储器（synchronousDRAM，SDRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（double data rate SDRAM，DDRSDRAM）、增强型同步动态随机存取存储器（enhanced SDRAM，ESDRAM）、同步连接动态随机存取存储器（synchlink DRAM，SLDRAM）和直接内存总线随机存取存储器（direct rambusRAM，DR RAM）。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（digital subscriber line，DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如，高密度数字视频光盘（digital video disc，DVD））、或者半导体介质（例如，固态硬盘（solid state disc，SSD））等。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软 件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
以上对本发明所提出的一种飞轮系统及其驱动控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于飞轮系统的驱动控制方法，其特征在于，所述飞轮系统包括编码器、三个开关霍尔传感器、壳体、飞轮体和控制线路板；壳体内部安装飞轮体和控制线路板，飞轮体包含电机和轴承单元，电机由电机定子和转子组成，且与三个开关霍尔传感器集成一体，三个开关霍尔传感器相互间隔120度电角度，直接安置在定子骨架上；所述轴承单元是飞轮体的支承部件；所述编码器作为速度传感器，检测飞轮旋转方向信息和速度信息；编码器用码盘固定到旋转部件上，读数头固定在旋转部件上，当电机转动时，带动编码器的码盘同步转动，编码器输出频率与转速成正比的方波脉冲序列；
所述方法具体为：针对飞轮电机运行期间，通过计算临界电流，区分为小电流不连续状态和大电流连续状态，对两种状态下的绕组电流进行准确表征，并对输出占空比采用不同的控制形式；
在PWM导通时，电机绕组充电，绕组电流增加；在PWM关断时，电机绕组续流，电流减小；当在占空比的中间时刻对绕组相电流采样，在小电流不连续的状态下，平均电流与占空比呈现非线性，所述的飞轮系统的驱动控制方法，将对电流的控制转化为直接对占空比的开环控制；当电流持续增大至超过临界状态时，进行占空比的闭环控制；计算得到控制电机电枢占空比，经由PWM输出固定频率的占空比的控制信号至电机驱动器，驱动器按照预设方式导通相应功率开关管，从而导通对应相绕组，驱动飞轮电机旋转；
所述小电流不连续状态具体为：
如果占空比在最小和临界占空比之间，则在一个PWM周期内，PWM导通时间短，即绕组电流上升时间短；公式(1)为电流上升段曲线斜率和持续时间，公式(2)为电流下降段曲线斜率和持续时间；在一个PWM周期内的电流进行积分，求取得到积分面积S公式(3)所示；
其中，U表示母线电压，E表示反电动势，L表示相电感，T表示PWM周期，α表示占空比，电流最大值Imax如公式(4)所示，由此，在一个PWM周期内的平均电流I由公式(5)可计算得到，平均电流I和占空比α为非线性关系；
其中，当占空比持续增大，增大到公式(7)的临界状态时，得到公式(8)～(9)的临界占空比α0和临界电流I0；
tr+tf＝T (7)
所述大电流连续状态具体为：
如果占空比增至大于临界占空比，则在一个PWM周期内，PWM导通时间变长，即绕组电流上升时间长；此时电流的积分面积S如公式(10)所示，在一个PWM周期内的平均电流I如公式(11)所示；即此种情况下的PWM中间时刻采样电流值就表征了绕组电流状态，用中间时刻采样电流参与电流的闭环控制；
其中，Imin表示电流最小值，Imax表示电流最大值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用开关霍尔传感器检测转子磁极位置，用于决定飞轮电机的换相，同时作为备份速度传感器。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用固定轴承外圈，轴承内圈旋转的方式保证飞轮整体结构紧凑。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机的控制过程包括电动运行状态和制动状态，在电动运行状态中，采用PWM输出信号频率固定，占空比变化的方式对电机进行控制；一个PWM周期内，在PWM导通状态下，电机绕组处于充电状态，绕组电流逐渐增大；在PWM关断状态下，电机绕组处于续流状态，绕组电流逐渐减小。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在电动运行状态下，根据指令电流的取值，以临界电流I0为分界，当指令电流的模值小于等于临界电流时，占空比按照公式(12)输出，开环控制；当指令电流的模值大于临界电流时，进行占空比的闭环控制；
制动状态情况下，与电动运行状态同理，按公式(13)输出；
6.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5任一项所述方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-5任一项所述方法的步骤。
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