姜麗婷，韓邦成，劉 剛，王志強(qiáng)
(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191)
摘要：為滿足微納衛(wèi)星對(duì)微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)集成化、小體積、低功耗和高精度的要求，建立了微小E輪的數(shù)學(xué)模型，提出一種基于多開關(guān)霍爾的速率反饋干擾力矩補(bǔ)償方法，設(shè)計(jì)了以FPeA為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，在FPGA上實(shí)現(xiàn)了PID控制、換相邏輯、PwM、Rs232串口通信、轉(zhuǎn)速測(cè)量以及電流的A，D采樣觸發(fā)等時(shí)序邏輯功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該力矩模式高集成度數(shù)字控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、可靠性高，并驗(yàn)證了基于多開關(guān)霍爾速率反饋干擾力矩補(bǔ)償方法的有效性，實(shí)現(xiàn)了微小飛輪高精度力矩模式控制。
關(guān)鍵詞：微小飛輪；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；永磁無刷直流電機(jī)；力矩補(bǔ)償
中圖分類號(hào)：TM351；TM36+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：I001—6848(2010)080047—05
0引言
隨著空間技術(shù)的發(fā)展，微納衛(wèi)星技術(shù)已成為最活躍、最富于挑戰(zhàn)性的空間技術(shù)：微小飛輪是微納衛(wèi)星高精度姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)。微納衛(wèi)星事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)微小飛輪研究工作的需求也不斷增長(zhǎng){1}。微小飛輪及其控制系統(tǒng)具有集成化、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸小的特點(diǎn)。
微小飛輪的控制普遍使用力矩控制或速度控制。力矩控制方式簡(jiǎn)單而實(shí)用，在測(cè)速精度不太高的情況F仍能提供較高的控制精度。國內(nèi)外的微小飛輪大多選用力矩模式的控制方式{2}。該控制方式多以飛輪電機(jī)的電樞電流作為反饋量，因其反饋回路中不包含飛輪動(dòng)力學(xué)部分，因此對(duì)飛輪控制特性無改善，特別是對(duì)摩擦力矩元補(bǔ)償能力，并且無法抑制擾動(dòng)力矩，類似于開路控制。難以實(shí)現(xiàn)較高的輸出力矩精度。文獻(xiàn)[3]中提出一種基于狀態(tài)觀測(cè)器的反作用輪低速特性補(bǔ)償方法，但算法過于復(fù)雜，計(jì)算量大，可靠性低。文獻(xiàn)[4]采用速率補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ岣唢w輪輸出力矩精度，但它使用增量式光電編碼器作為測(cè)速裝置。微小飛輪由于體積和功率限制，使用光電碼盤或旋轉(zhuǎn)變壓器等體積龐大，系統(tǒng)復(fù)雜的測(cè)速裝置是不現(xiàn)實(shí)的。在微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方面，目前大多由單片機(jī)或DsP實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)在算法實(shí)現(xiàn)上速度較慢，無法滿足高速實(shí)時(shí)控制要求{5-7}。DsP雖然在算法實(shí)現(xiàn)上速度快，但外圍電路較復(fù)雜，不易滿足微小飛輪電路小型化的要求{8}。并且由于DsP芯片采用中斷工作模式對(duì)信號(hào)的處理、傳輸都存在一定的滯后，影響了電機(jī)控制的精度。而FPGA外圍電路簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)控制速度快，并行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，適用于微小飛輪。
為了確保微小飛輪系統(tǒng)的可靠性，滿足小體積、輕質(zhì)量的要求，本文提出一種基于多開關(guān)霍爾的速率反饋干擾力矩補(bǔ)償方法，并設(shè)計(jì)一種以FPGA為核心的控制系統(tǒng)，提高微小飛輪集成度及輸出力矩精度。
l微小飛輪速率反饋補(bǔ)償控制
l.1微小飛輪動(dòng)力學(xué)模型
微小飛輪的控制原理是利用無刷直流電機(jī)使飛輪加速或減速，產(chǎn)生的反作用力矩作為控制力矩，該力矩可用來改變衛(wèi)星姿態(tài)，亦可用來吸收干擾力矩，保持衛(wèi)星姿態(tài)不變。作用于微小飛輪上的力矩主要有兩個(gè)：飛輪電機(jī)的電磁力矩Tm以及軸承摩擦力矩Tf。根據(jù)牛頓第三定律，微小飛輪的輸出力矩Tc與飛輪轉(zhuǎn)子所受的合力矩To大小相等，方向相反：
l.2系統(tǒng)控制原理
微小飛輪由于體積和功率的限制，通常選擇滾珠軸承，從而帶來的軸承摩擦，是飛輪系統(tǒng)的主要干擾源。為了抑制飛輪系統(tǒng)中的干擾，提高微小飛輪系統(tǒng)的控制精度，根據(jù)文獻(xiàn)[4]中提到的方法，在電流閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，再通過引入速率反饋對(duì)干擾力矩進(jìn)行補(bǔ)償，使得輸出力矩能更好的跟蹤力矩指令。微小飛輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。
圖2給出了微小飛輪控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。使用經(jīng)典控制理論的PID控制方法完成電流閉環(huán)．．對(duì)力矩指令積分，可得速率的指令值，將其與測(cè)速裝置反饋回來的實(shí)際速度信號(hào)比較后，將差值送人補(bǔ)償用的PD控制器，得到所需的補(bǔ)償力矩TF1。這里Tf1不能直接用來補(bǔ)償，需要將其等效為電機(jī)的補(bǔ)償電壓uf1，利用uf1產(chǎn)生的力矩來補(bǔ)償摩擦力矩的影響。
圖中，R為電機(jī)電樞的電阻，L為電機(jī)電樞的電感，E為電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電勢(shì)，Ke為反電勢(shì)與轉(zhuǎn)速的系數(shù)關(guān)系。墨為補(bǔ)償力矩Tn到補(bǔ)償電壓uf1的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。虛線框內(nèi)為直流無刷電機(jī)固有特性的建模。
系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為
2基于FPGA的數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
以FPcA(neld Pr。grammahle GateArray)為核心，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)并行運(yùn)算，運(yùn)算速度快，可靠性高，滿足航天級(jí)的要求。整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要包括以FPGA為核心的控制器、通信模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、電流采樣模塊、測(cè)速模塊及功率驅(qū)動(dòng)模塊。永磁無刷直流電機(jī)定子為三相星形六狀態(tài)接法。
通信模塊負(fù)責(zé)FPcA與上位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)參數(shù)的上傳與控制指令的接收。安裝在電機(jī)定子上的三路霍爾信號(hào)經(jīng)過濾波電路后，發(fā)送到FPGA完成電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的檢測(cè)，并通過邏輯組合產(chǎn)生PwMl、PwM2、PwM3、PwM4、PwM5、PwM6換向信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)換相。電機(jī)繞組電流由采樣模塊測(cè)出后，通過模擬電路放大，ADl674定時(shí)對(duì)放大后的電流信號(hào)進(jìn)行采樣，將電流的數(shù)字信號(hào)發(fā)送到FPGA，用于電流環(huán)的PID運(yùn)算，并綜合由霍爾信號(hào)算得的速率值進(jìn)行補(bǔ)償，產(chǎn)生PwM4調(diào)制信號(hào)，控制電機(jī)繞組電流的大小，來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛輪輸出力矩的控制。功率驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)三相六狀態(tài)橋的六個(gè)功率管的開通與關(guān)斷，不同的換向邏輯控制六個(gè)功率管不同的開關(guān)順序，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。
2．1星形三相六狀態(tài)逆變器換相的實(shí)現(xiàn)
本文研究對(duì)象無刷直流電機(jī)以三個(gè)霍爾信號(hào)h1、h2、h3獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)�；魻栃盘�(hào)的上升沿超前反電動(dòng)勢(shì)正向過零點(diǎn)30個(gè)電角度，由此關(guān)系設(shè)計(jì)六個(gè)開關(guān)管的正反轉(zhuǎn)換相邏輯，產(chǎn)生PWMl、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6六路換向信號(hào)。通過改變逆變器開關(guān)管的邏輯關(guān)系，使電樞繞組各相導(dǎo)通順序變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。
2．2基于FPGA的PID算法實(shí)現(xiàn)
以圖2中的電流環(huán)PID算法的實(shí)現(xiàn)為例，控制器的模型為：
這種算法有效的利用了FPGA的存儲(chǔ)特性，可以節(jié)省較多的邏輯單元，簡(jiǎn)化了程序的計(jì)算量。
2.3基于多開關(guān)霍爾的轉(zhuǎn)速測(cè)量
測(cè)速裝置的測(cè)量噪聲是微小飛輪控制系統(tǒng)中的主要噪聲，提高測(cè)速精度可以有效的改善飛輪的輸出力矩精度。這里采用12個(gè)開關(guān)式霍爾進(jìn)行測(cè)速。高速時(shí)使用一路霍爾信號(hào)，低速時(shí)將12路霍爾信號(hào)進(jìn)行異或后，綜合成一路信號(hào)，用于轉(zhuǎn)速的測(cè)量。其原理為：在霍爾的一個(gè)脈沖周期r內(nèi)計(jì)取高頻時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)n，電機(jī)測(cè)速公式如下：
w=2πfc/n
其中：w為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為rad／s; fc為FPGA計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率；P為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。
由于進(jìn)入FPGA的霍爾信號(hào)易受到強(qiáng)電的干擾，產(chǎn)生毛刺，當(dāng)毛刺的高低度沿被誤認(rèn)為一個(gè)霍爾周期，會(huì)導(dǎo)致測(cè)速的錯(cuò)誤，因此要對(duì)霍爾信號(hào)進(jìn)行濾波處理。在硬件方面，先使用一階低通RC濾波對(duì)霍爾信號(hào)進(jìn)行處理，再使用SN74HCl4對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行斯密特觸發(fā)器整形，則可以得到能夠正確反映轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的霍爾信號(hào)。要注意的一點(diǎn)是，濾波電路中的電容會(huì)引起霍爾信號(hào)的相位滯后，若采用濾波后的信號(hào)進(jìn)行換相，將會(huì)引起大的換相滯后，產(chǎn)生繞組電流反相續(xù)流和大的繞組電流波動(dòng)降低電機(jī)工作效率。為了處理這一矛盾，采用未經(jīng)低通濾波處理的霍爾信號(hào)來進(jìn)行邏輯換相，利用二階低通后的霍爾信號(hào)來作速度計(jì)算。在軟件方面，對(duì)霍爾信號(hào)進(jìn)行毛刺判斷，具體方法為：在短時(shí)問內(nèi)對(duì)霍爾信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，如果有高低沿變化，為毛刺，沒有高低沿變化，才為霍爾信號(hào)，可以用于速度計(jì)算。
3試驗(yàn)結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)用的微小飛輪如圖5所示，左側(cè)為微小飛輪實(shí)物，右側(cè)為微小飛輪的集成化控制電路。
微小飛輪電機(jī)為6對(duì)極三相永磁無刷直流電機(jī)，飛輪電機(jī)定子間隔30。電角度放置12個(gè)開關(guān)式霍爾傳感器用于轉(zhuǎn)速的測(cè)量。該電機(jī)相電阻R=0·4Ω，相電感Lm=4.8poH，微小飛輪主要技術(shù)指標(biāo)見表2，工作電壓U=28 v。PWM調(diào)制頻率20 kHz。電流環(huán)PID為Kp=24，Ki=34，Kd=0.01。速度給定標(biāo)準(zhǔn)：按恒加速力矩+3mNm給定。
圖6和圖7為僅用電流環(huán)控制器時(shí)飛輪的運(yùn)行曲線。先用3 mNm的指令力矩控制飛輪正向電動(dòng)加速，在飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到6000 r／min時(shí)，指令力矩由3 mNm變?yōu)橐? mNm，飛輪由正向電動(dòng)切換到正向制動(dòng)運(yùn)行。由圖中可以看出飛輪的輸出力矩精度可達(dá)1×10-3Nm。
圖8和圖9為加入速率反饋補(bǔ)償時(shí)飛輪的運(yùn)行曲線。指令力矩給定方法與上述相同，可以看出輸出力矩精度提高到2×10-4Nm，比僅用電流環(huán)控制器時(shí)的力矩精度提高了一個(gè)量級(jí)，系統(tǒng)性能大大提高，滿足_『微小飛輪高精度的要求。
4結(jié)論
本文提出一種基于多開關(guān)霍爾速率反饋的干擾力矩補(bǔ)償方法，并設(shè)計(jì)一種以FPGA為核心的用于微小飛輪電機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各種時(shí)序邏輯功能和PID控制算法，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、可靠性高，速率補(bǔ)償?shù)姆椒ù蟠筇岣吡孙w輪系統(tǒng)的輸出精度，完全滿足微小飛輪的高集成度、小型化、高精度要求。
|
