A----控制力矩陀螺用高速高精度无刷直流电机控制系统

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1、*控制力矩陀螺用高速高精度无刷直流电机控制系统姚嘉，刘刚，房建成（北京航空航天大学，北京，100083）摘要：本文分析了大型航天器对控制力矩陀螺电机的性能要求，提出了一种基于MC33035和硬件锁相环电路的无刷直流电机控制系统，介绍了系统构成，分析了不同模式下的控制方法。通过该系统实现了CMG电机的高速高精度稳速控制，并给出了实验结果和波形。关键词：无刷直流电机；MC33035；锁相环；稳速控制HighprecisionspeeddigitalcontrolsystemofBLDCMforCMGYaoJia,FangJiancheng,L

2、iuGang(BUAA,Beijing,100083)Abstract:ThispaperanalysestheneedoflargespacecraftforControlMomentGyro(CMG)motor.AcontrolsystemofBLDCMispresentedbasedonMC33035andPLLcircuit.Thestructureofsystemisintroduced.Thestrategiesoftwodifferentcontrolmodesareanalyzed.Usingthissystemthehi

3、ghprecisionspeedcontrolforhighspeedBLDCMisrealized.Intheend,theresultandwaveformofexperimentaregiven.1引言对于空间站等长期运行的大型航天器，其姿态控制系统是非常重要的子系统。控制力矩陀螺（CMG）作为姿态控制系统的主要执行机构直接决定了航天器的姿态控制性能和寿命[1]。多年来，CMG动量飞轮多采用机械轴承，由于存在机械摩擦，大大限制了CMG的寿命和转速。为了提高CMG的转速，延长其寿命，降低功耗，本项目中的CMG使用主动磁轴承系统（AMB

4、）和无铁心结构的高速永磁无刷直流电机驱动系统。永磁无刷直流电机及其控制系统作为CMG的驱动系统，对CMG的各项性能指标起着至关重要的作用。下文提出的基于MC33035和硬件锁相环电路的无刷直流电机数字控制系统实现了对CMG电机的高速高精度稳速控制。2控制系统构成CMG电机的控制系统构成如图1所示，主要由控制器、功率驱动电路、锁相环电路、转子位置传感器和电流检测环节构成。图1.CMG电机控制系统组成框图*863－2国家高技术领域项目863-2-2-4-9B“控制力矩陀螺研制”支持2.1控制器控制器主要由集成芯片MC33035和电流控制电路构

5、成。MC33035是第二代的无刷直流电动机控制器专用集成电路，外接功率开关器件后，可用来控制三相（全波或半波）、两相和四相无刷直流电动机。其内部集成了转子位置传感器译码器电路，只需将位置传感器信号直接与MC33035连接就可方便的检测转子位置并对绕组进行换相。该芯片同时具有脉宽调制比较器、输出驱动电路、欠压封锁保护和限流电路，可进行PWM开环速度控制、使能控制、正反转控制和能耗制动控制。电流控制电路的功能是借助MC33035完成对电机本体的电流控制。其输入信号包括电流反馈信号和电流设定信号，控制电路对其进行PID运算后将结果送至MC330

6、35的误差放大器同相输入端，从而控制PWM占空比使电机绕组中的电流跟随设定值变化。2.2功率驱动电路功率驱动电路原理如图2所示。图2功率驱动电路原理图由于CMG用无刷直流电机绕组为三相Y形连接采用两相导通6状态的工作方式，故采用三相桥式逆变电路，其中主功率开关器件采用12脚塑封的三相逆变桥功率模块MPM3003。在电源的母线上串接入一个霍尔效应磁场补偿式电流传感器对电机的工作电流进行实时检测。传感器的输出信号经过比例放大和限幅后输出给控制器作为电流反馈信号进行电流控制。同时，将该信号分压后接入MC33035的电流检测输入端作为过电流的保护

7、动作信号。为避免正常的电流冲击引起的保护误动作，可在电流检测输入端加入延时吸收电路。2.3锁相环电路由于航天器姿态控制系统对CMG的稳速精度要求很高（0.1%以上），如果采用普通的电机速度闭环控制很难达到指标要求，必须借助锁相环（PLL）技术进行电机的稳速控制。锁相环应用于电机稳速时，压控振荡器一般由功率放大器和电机本体所取代，反馈回路为霍尔速度信号。由于相位是频率的积分，锁相环是进行相位比较的，因此能使电机速度控制达到很高的精度。本系统采用电动机控制专用PLL集成电路TC9242。它采用两个8bitDAC(数字/模拟转换器)分别作为F/

8、V和P/V变换。当FGIN端反馈频率变化时,即电机转速不稳定时，AFC（自动频率控制端）和APC（自动相位控制端）输出变化如下：（1）FGIN在锁相范围以下时，AFC和APC为高电平（H）；（