CN1986335A - 一种高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮能量释放控制系统 - Google Patents

Abstract

一种高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮能量释放控制系统，可以为卫星、空间站等航天器在阴影区时提供电能，它主要由基于DSP的软件控制器、直流降压斩波器、三相二极管整流桥、永磁无刷直流电动机、霍尔效应转子位置传感器等组成。储能飞轮能量释放技术在航天器能源存储方面具有独特的优势，它储能密度大、寿命长(蓄电池为3－5年，集成能量与姿态控制系统(IPACS即姿控/储能两用飞轮系统)为20年)、工作性能稳定、能量转换效率高达85％－95％，对于诸多航天器的有效提高电源供给能力、延长寿命、提高可靠性等性能方面具有显著意义。本发明通过三相二极管整流桥和直流降压斩波器，将高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮永磁无刷直流电动机的输出电压经过整流、降压，最终输出稳定的直流电压。

Description

一种高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮能量释放控制系统

技术领域

本发明涉及一种高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮能量释放控制系统，用于实现低地球轨道卫星(LEO)、地球同步轨道卫星(GEO)、空间站(大型低地球轨道航天器)、星际飞行器等大型航天器所存储动能的能量释放控制。

背景技术

能源问题是卫星寿命短、可靠性低的主要制约因素之一，提高电源的供给能力、电源的寿命和可靠性是新一代大载荷卫星亟待解决的核心问题。储能飞轮能量释放技术储能密度大、寿命长、工作性能稳定、电量确定、能量转换效率高，对于诸多航天器来说，在提高电源供给能力、延长寿命、提高可靠性等性能方面具有显著意义。

星上能源的输入源一般为太阳能电池板，太阳能电池板或是被直接贴在星体外表面(对于自旋稳定卫星而言)，或是形成太阳翼伸展至星体外(对于三轴稳定卫星而言)。当卫星处于日照区，太阳翼是卫星的主要能源来源，但当卫星处于阴影区，此时作为备份的能源储存装置将取代太阳翼为整星供电。进一步说，太阳翼一般是按照常值功耗进行设计的，而并不考虑峰值功耗的极端情况，在这一意义上，备份的能源储存装置还可作为太阳翼供电能力的补充，满足卫星峰值功耗的要求。目前，星上常用的能源储存装置是蓄电池，属于电能-化学能转换装置，有镍-氢、镍-镉和锂离子电池等几种。

飞轮取代蓄电池作为能源储存装置，其基本原理是将电能转换为转子转动的动能(机械能)，通过电动机驱动飞轮高速旋转将能源储存起来，当需要电能时，再通过发电机将机械能转换为电能。这里电动机和发电机是同一装置，互为逆过程。飞轮作为能源储存设备，其循环寿命取决于电子线路和转子材料的(期望)寿命，而且它的循环寿命最终肯定会超过化学电池的寿命。飞轮作为储能装置的另一个优点，是其储能(充电)状态更容易确定，只需通过测速计测出飞轮的转动角速度即可。同时利用测速计处理使飞轮加、减速的控制力矩的模型十分简单，并不会增加系统的复杂程度。

姿控/储能飞轮作为储能设备集姿控系统的执行部件(如：反作用轮、动量轮和控制力矩陀螺)和能源储存部件于一体，极大的减小卫星质量。另外，飞轮的充、放电速度比蓄电池快，这样，能源的管理与分配系统也可以做得比较简单，重量也会更轻。

现代应用于储能飞轮能量释放系统的方法有很多，但是大多数都是针对工业领域，针对恒压、恒频的场合，而高速磁悬浮姿控/储能飞轮随着能量释放，转速不断下降，相应的三相输出电压的幅值和频率也会随之降低，而输出电压要求为稳定的直流电压，所以能应用在此领域的较少。可以应用的有PWM整流、BUCK直流斩波器、BOOST变换器等，其中PWM整流电路复杂，对于空间应用来说可靠性较低，不适合中小功率系统，而且星上设备多为直流供电不需逆变环节；传统的BUCK直流斩波器虽然结构简单、功耗低、易于控制、性能稳定，但存在输出电压高频纹波分量大，功率因数不可控等缺点；而BOOST变换器为升压斩波器，由电机输出的三相电压经过二极管整流以后电压值已经升至原来的2.34-2.45倍(分别为有负载和无负载时)左右，所以对于星上设备所使用的电压不高的情况，此种方法明显不适合。

发明内容

本发明解决的技术问题是：设计了一种输出电压高频纹波小，输出直流电压稳定，输出功率可控，转换效率高，适合星上中小功率系统的高速磁悬浮姿控/储能飞轮由动能转变为电能的能量释放控制系统。

本发明的技术解决方案是：高速磁悬浮姿控/储能飞轮能量释放控制系统，永磁无刷直流电动机、三相二极管整流桥、低通滤波器、三角波直接电流比较控制器、PWM控制输出器、直流降压斩波器、霍尔效应转子位置传感器，其中永磁无刷直流电动机高速旋转时产生三相电压信号，经过三相二极管整流桥整流转变为直流电压，低通滤波器滤掉高频纹波，输出给直流降压斩波器输出直流电压；同时从直流降压斩波器输出端取出的电压反馈信号经过三角波直接电流比较控制器产生PWM控制信号，与霍尔效应转子位置传感器输出的转速信号一同进入PWM输出控制器，用来控制直流降压斩波器的开关器件的占空比，保证直流降压斩波器具有稳定的直流电压输出。

本发明的原理是：利用卫星在日照区由太阳能电池板提供的电能使飞轮高速转动而存储动能，在阴影区时飞轮降速，释放动能转换为电能，为星上设备提供电能。不平衡转动力矩作用是飞轮转速改变的根本原因，当转矩的方向与飞轮转动方向一致时，飞轮由于受到正向不平衡转矩的作用而加速，能量转化为动能储存起来；相反，飞轮减速，动能转化为其它形式的能量。物体的动能(E)的表达式为： $E=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2---\left(1\right)$

式(1)中，m-飞轮转子质量；v-飞轮转子线速度。由于飞轮上各点的速度是不一样的，所以它的动能也可表达为： $E=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{2}{m}_i{v}_i^2---\left(2\right)$

式(2)中，∑-“求和”的表示；m_i-是飞轮转子各点的质量；v_i-是飞轮转子上各点的线速度。由(2)式可知，飞轮储能大小除与飞轮的质量(重量)有关外，还与飞轮上各点的速度有关，而且是平方的关系。

但是由于上式不能直接直观的计算出飞轮所存储和释放的能量，所以一般使用下式做计算，在转化过程中可以吸收和释放的能量为：

$W=\frac{1}{2}J({\mathrm{\ω}}_{\max }^2-{\mathrm{\ω}}_{\min }^2)---\left(3\right)$

式(3)中，J-飞轮转子的转动惯量(当飞轮转子加工好以后此为固定值，与飞轮转子的形状、材料等有关)；ω_max-飞轮转子转动速度最大时的转动角速度值；ω_min-飞轮转子释放出可以利用的电能的最小转动角速度值。由ω_max、ω_min便可以计算出能量释放深度、储能密度等技术参数。

本设计主要有以下优点：

(1)本发明所采取的直流降压斩波器为改进型BUCK直流斩波器，其不但继承了BUCK直流斩波器结构简单、功耗低、易于控制、性能稳定、可靠性高等优点，而且增加了输入、输出低通滤波环节，保证了输入、输出电压与电流的平稳；采取了与三角波直接电流比较法相结合的方式，使本发明输出电压高频纹波小，输出直流电压稳定，输出功率可控，转换效率高，适合星上设备这种中小功率的系统；

(2)本发明所采用的三角波直接电流比较控制法具有开关频率固定，且单一桥臂的开关控制互补，控制电路简单，并且直接检测交流侧电流信号并加以控制，系统响应快，动态响应好；

(3)本发明最终所输出的直流电压稳定，高频纹波小，且负载部分输出电流连续、脉动小。

附图说明

图1为高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮系统能量流程图；

图2为高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮能量释放控制系统的组成框图；

图3为高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮系统整体能量转换工作时序图；

图4为能量释放控制系统主体电路拓扑图；

图5为本发明的三角波直接电流比较控制器的硬件框图；

图6为本发明的三角波直接电流比较控制器的比较控制法原理图。

具体实施方式

如图1所示(空心箭头表示日照区，实心箭头表示阴影区)，为高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮系统能量流程图，它分为两个部分，在日照区时是由太阳能电池板为星载设备提供电能，并且同时高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮系统提供电能，驱动其旋转，实现姿态控制并将能量以动能的形式存储起来；当航天器在阴影区时，太阳能电池板失去效用，由高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮系统释放动能转换为电能为星载设备提供能量，同时兼顾姿态控制功能。

如图2所示，为本发明所述的一种高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮能量释放控制系统的组成框图，它由永磁无刷直流电动机1、三相二极管整流桥2、低通滤波器3、三角波直接电流比较控制器4、PWM输出控制器5、直流降压斩波器6、霍尔效应转子位置传感器7等环节组成；能量释放过程中，永磁无刷直流电动机1高速旋转时产生三相电压信号，经过三相二极管整流桥2整流转变为直流电压，低通滤波器3滤掉高频纹波，输出给直流降压斩波器6输出直流电压；同时从直流降压斩波器6输出端取出的电压反馈信号经过三角波直接电流比较控制器4产生PWM控制信号，与霍尔效应转子位置传感器7输出的转速信号一同进入PWM输出控制器5，用来控制直流降压斩波器6的开关器件的占空比，保证直流降压斩波器6具有稳定的直流电压输出；此外，通过霍尔效应转子位置传感器7检测电机转速，当低于某个固定转速时，由于输出电压过低关闭直流降压斩波器6的开关管，停止电能释放。

如图3所示，为高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮系统整体能量转换工作时序，姿控/储能飞轮系统包括电动/发电机、飞轮转子等，能量释放控制部分包括三相二极管整流桥、直流降压斩波器、三角波直接电流比较控制器三个部分；首先飞轮控制系统控制姿控/储能飞轮电动/发电机(此时做电动机使用)，使电动/发电机驱动飞轮转子升速，将输入电能转换为飞轮转子的动能；能量释放时，能量释放控制部分控制飞轮转子降速，通过电机(此时做发电机使用)输出三相电压，经过三相二极管整流桥整流、输出给直流降压斩波器，三角波直接电流比较控制器通过电压反馈信号的输入和霍尔转速信号的输入，来控制直流降压斩波器开关器件的占空比，保证稳定的直流电压输出。

图4为高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮系统能量释放控制系统主体电路直流降压斩波器的拓扑图，它主要由电感、电容、MOSFET、二极管等组成，由电机输出的三相电压首先经过三相二极管整流桥整流为直流，然后通过电感L1电容C1、C2组成的低通滤波电路滤去高频纹波并稳压之后，再与MOSFET的漏极D极连接，并且在MOSFET的源极S极和地之间反并联一只二极管，MOSFET的栅极G极由DSP发出的控制信号通过驱动电路控制MOSFET的通断，MOSFET此时工作在开关状态；在经过MOSFET之后通过一个电感值较大的续流电感，这样可以使负载电流连续且脉动小，再经过一个稳压电容，滤去高频纹波，最终输出稳定的直流电压。

如图5所示，为三角波直接电流比较控制器的硬件框图，它由TMS320LF2407A DSP的CPU、存储器、A/D转换器、数字I/O模块的CAP捕获功能单元、PWM波形发生模块等组成，整体由控制器电源供电；其中数字I/O模块的CAP捕获功能单元对电动机霍尔效应转子位置传感器进行转子位置和速度信号的检测，经CPU运算和修正作为三角波直接电流比较控制器的速度输入信号，速度反馈信号是为了检测高速磁悬浮姿控/储能飞轮的转速，由于姿控/储能飞轮转子由高速降速至低速时输出电压比较低，此时动能也较低，放电深度有限不能达到100％，所以当转速低于某个值(此数值因应用于不同的姿控/储能飞轮而有所不同)时要求PWM占空比为0，关闭开关管；电压反馈信号经过A/D转换器转变为数字信号再经由CPU运算输入到比较单元，经过PWM波形发生模块比较寄存器的值进行比较生成PWM控制信号；PWM控制信号通过调节其占空比来调节直流降压斩波器的输出电压，保证最终输出稳定的直流电压；所有控制算法实现的程序都存放在存储器中。

如图6所示，为本发明的三角波直接电流比较控制法控制原理图，其中包括电流滞环和电压环，给定的电压值U_d ^*与电压反馈值U_d做比较，然后通过电压环PI输出电流信号i_d和一个与电压同相的单位正弦信号相乘得到电流指令，指令电流和反馈电流经电流PI调节器后与三角波信号比较后，得到控制用PWM调制波，控制由电机输出电压，经过二极管整流后直流降压斩波器开关器件的通断，实现输出电流跟踪指令电流，最终经过电容稳压后得到稳定的直流电压Ud，也即电容两端的电压，Ud还作为电压反馈信号，反馈到前端电压比较处；转速反馈信号与转速参考信号比较，如果转速高于参考转速则由PWM控制输出器输出的控制信号控制开关管的占空比，否则关断开关管。

本发明实现了高速磁悬浮姿控/储能飞轮由动能到电能的转换，最终输出稳定的直流电压，并且负载端电流连续、稳定且脉动小。它不仅适用于姿控/储能两用飞轮能量释放控制系统，还适用于轻小型“磁悬浮控制力矩陀螺”系统，主要作用是当陀螺在星上运行时，可以防止突发事故发生后使陀螺受到破坏，而用陀螺转子自身的动能转化为电能，给陀螺自身提供安全降速所需的能量，还可以由此实现变速控制。

Claims (3)

1、一种高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮能量释放控制系统，其特征在于包括：永磁无刷直流电动机(1)、三相二极管整流桥(2)、低通滤波器(3)、三角波直接电流比较控制器(4)、PWM输出控制器(5)、直流降压斩波器(6)、霍尔效应转子位置传感器(7)，其中永磁无刷直流电动机(1)高速旋转时产生三相电压信号，经过三相二极管整流桥(2)整流转变为直流电压，低通滤波器(3)滤掉高频纹波，输出给直流降压斩波器(6)输出直流电压；同时从直流降压斩波器(6)输出端取出的电压反馈信号经过三角波直接电流比较控制器(4)产生PWM控制信号，与霍尔效应转子位置传感器(7)输出的转速信号一同进入PWM输出控制器(5)，用来控制直流降压斩波器(6)的开关器件的占空比，保证直流降压斩波器(6)具有稳定的直流电压输出。

2、根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮用能量释放控制系统，其特征在于：所述的三角波直接电流比较控制器(4)中的比较控制法在DSP内部用程序实现，其中包括电流滞环和电压环，为电压、转速双闭环，给定的电压值与电压反馈值比较，通过电压环PI输出和一个与电压同相的单位正弦信号相乘得到电流指令，指令电流和反馈电流经电流调节器后与三角波信号比较后，得到控制用PWM调制波，控制由电机输出电压，经过二极管整流后直流降压斩波器(6)开关器件的通断，实现输出电流跟踪指令电流，最终经过电容稳压后输出稳定的直流电压，电容两端的电压作为电压反馈信号；转速反馈信号与转速参考信号比较，如果转速高于参考转速，则由PWM控制信号控制开关管的通断时间，否则关断开关管。

3、根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮姿控/储能两用飞轮用能量释放控制系统，其特征在于：所述的直流降压斩波器(6)由电感、电容、MOSFET、二极管组成，由电机输出的三相电压经过三相二极管整流桥后首先经过电感、电容组成的低通滤波电路滤去高频纹波，之后与MOSFET的漏极(D极)连接，并且在MOSFET的源极(S极)和地之间反并联一只二极管，MOSFET的栅极(G极)由DSP发出的控制信号通过驱动电路控制MOSFET的通断，MOSFET此时工作在开关状态；在经过MOSFET之后通过一个电感值较大的续流电感，可使负载电流连续且脉动小，再经过一个稳压电容，滤去高频纹波，输出稳定的直流电压。

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