大力矩反作用飞轮转速控制设计

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1、大力矩反作用飞轮转速控制设计上海大学工程硕士过程控制及系统课程题目：大力矩反作用飞轮转速控制设计学生姓名：胡元闻学号：12610121专业：控制工程指导教师：孙鑫讲师12大力矩反作用飞轮转速控制设计大力矩反作用飞轮转速控制设计摘要本文是针对大力矩反作用飞轮转速控制系统进行的分析和设计，反作用飞轮作为动量交换元件，无论是工作在力矩模式还是工作在速率模式，都是通过转速变化来实现动量交换的，为了实现高精度的卫星姿态控制，必须要求飞轮能够实现转速稳定均匀。所以本设计采用速度电流双闭环的控制系统，这样可以极大地减小反电势以及部分控制参数的不精确性对输出力矩的

2、影响，解决零转速附近的摩擦力矩波动，来确保输出力矩的稳定性。关键词：速度、电流环双闭环控制；飞轮转速、电机电流；转速控制；12大力矩反作用飞轮转速控制设计目录摘要1引言3一、飞轮调速系统31.1系统工作原理31.2系统反馈组成41.3PID控制原理51.4速度及电流双闭环控制61.5无负载情况下的调速系统运行7二、系统控制策略92.1双闭环调节92.2换向控制112.3电流控制12总结14参考文献1512大力矩反作用飞轮转速控制设计引言飞轮作为动量交换元件，无论是工作在力矩模式还是工作在速率模式，都是通过转速变化来实现动量交换的，为了实现高精度的卫

3、星姿态控制，必须要求飞轮能够实现转速稳定均匀。对于反作用飞轮来说，由于存在低速和转速过零问题，要在整个转速范围内实现转速控制的稳定均匀是十分困难的。在高速段范围内要实现转速的高稳定性是很容易的，这时的转速测量较为容易，摩擦力较为均匀，因此控制也比较容易达到指标；但是在零转速附近要达到较高的转速稳定性就有困难。问题来自两个方面，一个是测量问题，一个是控制问题。测量问题可以通过选用在低速和高速工作都理想的转速测量方式来解决，而在零转速附近的控制问题来自经过零转速时的摩擦力波动，控制的实质在于对摩擦力的有效补偿，即对抗摩擦力干扰的能力要强。由于摩擦力的非

4、线性，要实现其有效补偿，在整个转速范围内采用单一结构的控制策略是很难达到理想的控制效果，因此在零转速及低速段附近必须采用抗摩擦力等非线性干扰因素能力强的先进的控制策略。综上，为解决零转速附近的摩擦力矩波动，减小反电势以及部分控制参数的不精确性对输出力矩的影响，大力矩飞轮控制电路采用速度环和电流环双闭环的控制方案，来确保输出力矩的稳定性。大力矩飞轮调速控制系统按功能划分有：主控制器部分、速度/电流采样部分、功率驱动驱动部分、CAN通信部分及电源部分。由于飞轮电机不带负载，其摩擦力可忽略不计，所以负载力矩基本等于零。这种无负载调速系统，有别于一般的带负

5、载调速系统。对这种调速系统的控制，并且要取得高性能的控制效果，是一个值得研究的重点。一、飞轮调速系统1.1系统工作原理整个飞轮调速系统的系统结构及工作原理如图1所示。12大力矩反作用飞轮转速控制设计图1飞轮调速系统原理框图主控制器部分采用DSP控制器实现，通过DSP自身丰富的硬件资源以及软件程序设计，完成整个飞轮调速系统的运行控制；电机的位置、速度及电流信息分别通过各采样接口反馈到DSP，由DSP的控制软件进行相应的位置、速度及电流控制，位置信息由电机内置霍尔传感器产生，速度信息由电机上安装的光电编码器输出转速脉冲及方向信息，电流信息由采样电阻对电

6、机电流采样后获得。DSP的PWM发生电路产生PWM波形，经驱动电路及大功率桥电路后驱动电机运转；DSP与上位机之间通过CAN总线及相应的通信协议进行通信，上位机通过CAN总线向DSP发送控制指令，而DSP通过CAN总线接收指令及上传相关数据；电源转换电路分为数字电源部分和功率电源部分两块，分别对数字控制部件和电机驱动部件进行供电；1.2系统反馈组成（1）位置反馈飞轮上的无刷直流电机采用三相六状态的星形接法，通过三相全控功率桥逆变电路驱动。电机内置霍尔传感器，根据霍尔传感器感应到的电机转子目前所在位置，决定三组功率晶体管上下管的开启或关闭顺序。当电机

7、转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以往同一方向持续转动。当控制部分决定要电机转子停止，则关闭功率晶体管；12大力矩反作用飞轮转速控制设计要电机反向转动则采用相反的功率晶体管开启顺序。霍尔信号为三路，每路信号根据是否上拉分为0、1两种状态，三路输出的组合产生001、010、011、100、101、110六个有效信号，来指示电机转子的位置。通常电机每转导致霍尔信号变化的次数还与电机的极对数有关，关系为，其中为霍尔信号变化次数，为电机的极对数，即对对极的电机来说，每转霍尔输出信号变化次。因此，在有些对转

8、速控制精度不高的场合，也可以通过霍尔信号的变化进行测速。（2）速度反馈通过光电编码器产生的正交编码脉冲（QEP）对电机转速