磁悬浮反作用飞轮高精度力矩控制

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1、磁悬浮反作用飞轮高精度力矩控制收稿日期：2016-1-18基金项目：国家自然科学基金资助项目（61304036）；国家863计划资助项目作者简介：冯健（1989-），男，山东德州人，博士研究生，E-mail:fengjian@nudt.edu.cn;刘昆，男，教授，博士生导师，Email:liukun@nudt.edu.cn冯健，刘昆，冯昱澍（国防科学技术大学航天科学与工程学院，湖南长沙410073）摘要：为提高磁悬浮反作用飞轮输出力矩精度，针对传统控制方法下，永磁无刷直流电机非理想反电势和换相引起的转矩脉动，分别提出补偿控制策略。非换相期间，根据转速和位置信息，估计实

2、时反电势来获取参考电流，通过设计的力矩控制器直接计算出调制占空比，以补偿非理想反电势引起的力矩脉动；分析了全转速范围内换相期间转矩波动的特点，分别提出了低速区非换相相调制和中高速区间关断相调制的换相转矩脉动抑制策略，并给出了换相时间的计算方法。实验表明，所提控制方法显著提高了飞轮的输出力矩精度，验证了方法的正确性和有效性。关键词：非理想反电势；换相；转矩脉动；补偿方法中图分类号：V42文献标志码：A　　文章编号：High-PrecisionTorqueControlforMagneticallySuspendedReactionFlywheelFENGJian,LIUK

3、un,FengYushu(CollegeofAerospaceScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)Abstract:Inordertoimprovethetorque-outputprecisionofthemagneticallysuspendedreactionflywheel,compensationmethodsareproposedrespectivelytoattenuatetheundesirabletorqueripplecaus

4、edbynonidealbackelectromotiveforcewaveformandcommutationinclassicalcontrolofbrushlessDCmotor.Thereal-timebackelectromotiveforceisestimatedaccordingtorotorpositionandspeedtoobtainreferencecurrent,Pulsewidthmodulationdutycycleiscalculatedinthetorquecontroller.Thetheoreticalderivationisanal

5、yzed,methodsofmodulationofthenon-commutationphaseduringlow-speedrangeandmodulationoftheswitching-outphaseduringhigh-speedrangearepresentedbasedonthecharacteristicsrespectively.Also,calculationmethodofthecommutationtimeisgiven.Theexperimentalresultsshowthattheproposedmethodcanachieveaneff

6、ectivecompensationeffect.Keywords:nonidealelectromotiveforce,commutation,torqueripple,compensationmethod8反作用飞轮是航天器姿态控制系统的关键执行机构[1]。其主要功能是复现航天器姿态控制系统给出的力矩指令，为航天器提供反作用力矩。随着对航天器姿态控制精度要求越来越高，要求飞轮具有较高的输出力矩精度。磁悬浮反作用飞轮(MagneticallySuspendedReactionFlywheel,MSFW)具有零摩擦、低振动、角动量输出精度高和长寿命等优点，将成为我国新一

7、代高稳定度、高精度航天器平台的首选执行机构。磁悬浮反作用飞轮输出力矩精度主要由电机控制精度决定，抑制电磁力矩脉动是获得高精度电磁力矩的难点。无铁芯无齿槽无刷直流电机(BrushlessDCMotor,BLDCM)能量密度高，控制简单且有效的减小了铁芯损耗和磁阻力矩波动，在航天用飞轮中得到广泛应用[2]。改善无刷直流电机的转矩脉动一直是学者研究的热点，研究工作主要集中在抑制换相转矩脉动[3]-[8]和消除非理想反电势(BackElectromotiveForce,EMF)引起的转矩脉动[14][15]。经典文献[3]对无刷直流电机换相转矩脉