卫星反作用飞轮总线化驱动及可重构性

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1、2010年4月第2期中国空间科学技术—C—hin—eseSpaceScienceandTechnology卫星反作用飞轮总线化驱动及可重构性周兆勇1漆亚梅1孔翔1李铁才2(1深圳航天科技创新研究院先进数字装备技术研究所，深圳518057)(2哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨150001)摘要通过研究卫星反作用飞轮的总线化伺服驱动及其系统重构问题，构建了可靠的无刷直流电动机功率驱动主回路，研制了可以采样三相绕组电流的磁感应式传感器及泵生电压自动抑制电路。对普通的M／T测速算法进行了改进，并仅以两组相互备份的六个位置传感器

2、完成了数字转速测量和换相控制。规划了现场总线协议，设计了总线式的全数字化飞轮力矩／速度双模式伺服驱动器的知识产权内核及系统级专用芯片，构造了冗余型可重构控制器，提出了多种重构方案以及相应的实现算法。在现场可编程门阵列工艺中最终实现了飞轮的片上伺服系统；测试结果表明，该系统在整个四象限区域内均具有良好的动态和静态运行性能。关键词飞轮现场总线系统重构现场可编程门阵列卫星1引言在卫星姿态控制系统中，反作用飞轮是其中核心的元部件之一，属于重要的惯性执行机构。反作用飞轮按照一定的方式安装在卫星载体的惯性轴上，通过对大惯量飞轮转子进行加速或

3、制动控制来改变飞轮角动量(即动量矩)的大小或者方向，从而在载体上产生反作用力矩，以实现对载体运动的控制力矩输出，达到姿态控制的目的Llj。反作用飞轮系统主要由五个部分组成，即壳体部件、旋转质量、无刷直流电动机、轴承组件和控制电路板，其中电机转子和旋转质量为一体。飞轮伺服系统是以无刷直流电动机为控制对象的，其核心是一个电流闭环控制系统，因而电流反馈采样的好坏会直接影响到系统的整体性能。另外，无刷直流电动机的控制策略是和功率逆变回路的具体结构分不开的，不同的逆变器结构其控制策略也不尽相同，同时其电流检测及泵生电压抑制措施可能也会有所

4、差异。因此，如何选择功率主回路结构成为设计飞轮伺服系统所面l临的首要任务。早期的飞轮控制系统是以模拟电路为主的，控制功能和性能很难再进一步提高，已经越来越不适应现代航天技术的发展趋势了，逐渐会被数字技术取代【z_j。本文研究的是一种基于IP(知识产权)内核集成的单芯片数字设计技术，在加速或减速过程中均能获得较高的力矩控制性能，可以实现飞轮的零动量运行；同时为了进一步提高数字部件的可靠性，拟采用冗余设计技术，并研究相应的重构算法，通过不同的总线协议进行在线重构或系统控制。这些都是传统模拟技术所无法实现的。部委基金资助项目收稿日期：

5、2009—03—17。收修改稿日期：2009-07—23中国空间科学技术2010年4月2功率驱动模块设计与分析现提出一种新的三相无刷直流电动机功率驱动方案(如图1所示)，主要由功率逆变、电流检测和泵生电压抑制3个功能单元组成，属于单极性的线性PWM系统。无刷直流电机使用三相三状态PwM斩波驱动方式，每相绕组在其反电势平顶区内导通120。电角度，且任意时刻仅有一相绕组导通，绕组电流也只能是单方向的；当电机处于加速状态时电流在正的反电势平顶区内导通，制动时则电流在负的反电势平顶区内导通。为了保证卫星的长期可靠运行，功率逆变单元被设计

6、成伪H桥结构，以杜绝直通短路现象的发生，即每一相的上桥臂采用P沟道功率MOSFET，而下桥臂则采用N沟道MOSFET，另外每个桥臂上各串联一个续流二极管D。和D。。图1仅画出了其中某一相的逆变电路结构，其他两相与该相是完全一致的。功率MOSFET采用非隔离式高速栅极驱动技术，在经过恰当的死区时间补偿后，上下两个桥臂在o～100％的整个电压占空比区间内都可以实现无延迟同步开关动作。图1功率驱动主回路拓扑结构如果忽略换相瞬I司的电流变化，并且认为电流是连续的，则加速时的回路电压方程为U=Ri+L。di+P，0≤￡≤f。。dt、、。‘

7、‘一U=Ri+L老+P，‰≤￡≤￡。制动时的回路电压方程为U=Ri+L老一P，o≤￡≤‰一【，=Ri+L盅一P，‰≤f≤f。式中t。。为导通时间；ts为PWM周期；R和L分别为回路电阻和电感；e为反电势；U为直流母线电压；i为绕组电流。在一个PWM周期内，由于飞轮转速变化非常小，所以可以认为e和【，都是恒定的。另外假定PWM周期的开始和结束时刻对应的电流瞬时值相等，则加速过程中的电流平均值为j一扣z=去．『五岫+去，面地=叫u叫式中为电压占空比，且0(U--。e--。L。d此i时飞轮电机(--的平U均--e电--磁L力d矩i为去

8、E(zpPp=t／tt=K。J=簧[(2P一1)u—P](1)；!!!竺!旦主垦窒!里型兰堇查!Z式中K。为力矩系数。利用同样的方式可以计算，制动过程中的平均电磁力矩为Te=告[(2lD一1)u+P](2)电磁力矩方程(1)和(2)是在电流连续的情况下得到的，即