[发明专利]一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统，用于小电枢电感永磁无刷直流电动机的的低功耗控制，特别适用于卫星、空间站等航天器姿态控制执行机构的驱动部件的低功耗控制。

背景技术

卫星、空间站等航天器上的能源有限，所以需要其执行机构的驱动部件功耗要低，以便于节省能源。控制力矩陀螺是大型航天器和空间站上重要的姿态控制执行机构，磁悬浮控制力矩陀螺又以其输出力矩大、功耗低的优点而具有广阔的应用前景。高速转子系统是磁悬浮控制力矩陀螺的重要部件，磁悬浮控制力矩陀螺的高速转子一般转速都达到20000rpm，因此高速转子电机的功耗问题是需要解决的一个难题。

现有的高速转子系统驱动电机一般采用的是小电枢电感永磁无刷直流电机，电机的驱动电路一般由稳压直流电源直接加三相逆变桥，采用脉宽调制PWM方式对电机进行控制。由于电机绕组电感很小，当采用频率很高的PWM进行调制的时候，绕组中的电流也随着PWM的频率高频的变化，因此引起的涡流损耗很大。加大绕组中的电感，降低供电电压可以减小涡流损耗，但是这样又降低了电机的功率因数。为了减小高速转子控制系统涡流损耗，减小绕组中电流变化的波动量是最好办法。提高PWM频率，依靠绕组内的小电感可以使电流变的平滑，但是，依靠传统的驱动电路，逆变桥中开关管的开关损耗会因此而增大，当PWM频率达到一定大小的时候，开关管会因为来不及散热而烧坏。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种涡流损耗小、控制带宽高的用于磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统的低功耗控制系统。

本发明的技术解决方案是：一种低功耗磁悬浮控制力矩陀螺高速转子控制系统，包括稳压直流电源、小电枢电感永磁无刷直流电动机、数字控制器、滤波电路和A/D转换电路、三相逆变桥，其特点在于：在稳压直流电源和三相逆变桥之间加入软开关桥，通过软开关桥的谐振作用，使三相逆变桥的开关管实现零电流开关；同时在稳压直流电源与软开关桥之间串入电流传感器，电流传感器采集的小电枢电感永磁无刷直流电动机的电流信号经过滤波电路和A/D转换电路后进入数字控制器，作为电流环的反馈值；小电枢电感永磁无刷直流电动机带有霍尔传感器，霍尔信号经过光电隔离后进入数字控制器，提供电流换相时刻及计算速率的基准；数字控制器接收到电流信号按照控制算法计算出控制电机电流的PWM占空比，接收到霍尔信号后按照换向逻辑给定PWM的输出逻辑，从而控制三相逆变桥和软开关桥中的开关管。

所述的软开关桥由MOSFET管Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12，电感L0、L1、L2及电容C0、C1、C2组成，其中MOSFET管Q7、Q8、Q9组成软开关桥的上桥臂，MOSFET管Q10、Q11、Q12组成软开关桥的下桥臂，L0、C0、Q7、Q10及三相逆变桥的Q1、Q4组成A相软开关电路；L1、C1、Q8、Q11及三相逆变桥的Q3、Q6组成B相软开关电路；L2、C2、Q9、Q12及三相逆变桥的Q2、Q5组成C相软开关电路。

所述的数字控制器(6)由浮点型CPU、外扩存储器和CPLD组成，其中CPLD包括数字I/O、PWM生成模块、A/D接口模块及数字滤波模块；浮点CPU通过数据总线和地址总线与CPLD和外扩存储器相连，CPLD中通过VHDL编程实现数字I/O、PWM生成模块、A/D接口模块及数字滤波模块；A/D接口模块通过CPLD的数据线将A/D转换电路得到的电流采样数据量采到CPLD的数据缓冲区中，并通过数字滤波模块对采样数据量进行平均滤波，然后将经过滤波后的数据量存回CPLD的数据缓冲区中等待浮点CUP读取。浮点型CPU通过地址总线访问CPLD，浮点型CPU通过地址总线访问CPLD，通过数据总线获得CPLD数据缓冲区中的数据，然后经过控制算法后生成PWM占空比值并将其存到外扩存储器中，浮点CPU在接到CPLD取数信号时通过数据总线和地址总线送给CPLD，同时与在CPLD中生成的由霍尔信号产生的换相逻辑结合，在CPLD的PWM生成模块中生成电机的三相逆变桥和软开关桥的驱动信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用了软开关桥，通过软开关的谐振作用实现逆变桥中开关管的零电流的转换，降低开关管的开关损耗，提高PWM的频率，减小了永磁无刷直流电动机绕组中电流的波动量，使得由PWM调制引起的电机的涡流损耗大大减小，节约了航天器的电力资源。