[发明专利]一种磁悬浮反作用飞轮电机控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮反作用飞轮电机控制系统，可用于在输入电压不变的情况下 扩展卫星等航天器姿态控制执行机构的最大加速力矩。

背景技术

卫星等航天器的姿态控制执行机构有时需要较大的输出转矩，且其驱动部件要求功 耗低，以便充分利用航天器有限的电力能源。为了实现扩展卫星等航天器的姿态控制执 行机构的最大加速力矩，通常采用增加永磁无刷直流电动机力矩系数来实现，但反电动 势将增加到稳恒直流电源电压的数倍，在不增加输入电压的情况下，需要进行升压变换 以驱动永磁无刷直流电动机；同时，在永磁无刷直流电动机升速过程中，当转速较低时， 永磁无刷直流电动机反电动势低于稳恒直流电源电压，需要进行降压变换以驱动电机。 目前的姿态控制执行机构的驱动部件，多由稳恒直流电源直接加至由功率器件组成的三 相逆变桥中，通过数字控制器采样位置信号、转速信号和电流信号，采用PWM调制方 式对电动机进行调速。这种结构的驱动部件其直流侧供电电压恒定，无法根据需要任意 调整加在永磁无刷直流电动机定子绕组两端的驱动电压，当永磁无刷直流电动机转子转 速较低时，驱动电压过高，只能通过能耗单元将过高的驱动电压能源消耗掉，功耗增加， 造成不必要的浪费；当增大永磁无刷直流电动机输出力矩时，只能靠增大输入电压来提 高永磁无刷直流电动机的驱动电压，功耗也相应较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种磁悬浮反作用飞轮电机 控制系统，该控制系统不需改变输入电压且不影响总体功耗。

本发明的技术解决方案是：由稳恒直流电源、Cuk升降压变换器、能耗单元、三相 星型半桥、永磁无刷直流电动机、位置检测装置和数字控制器组成，稳恒直流电源提供 给Cuk升降压变换器一个恒定电压，Cuk升降压变换器后经能耗单元、检测电阻R和三 相星型半桥接永磁无刷直流电动机，Cuk升降压变换器用于对稳恒直流电源输出电压进 行升降压变换，能耗单元用于降速过程中的能耗制动，检测电阻R在三相星型半桥与地 之间，用于检测永磁无刷直流电动机绕组电流，通过三相星型半桥对永磁无刷直流电动 机进行换相控制，位置检测装置用于检测永磁无刷直流电动机转子位置信号，将其送入 数字控制器，在数字控制器中根据换相表产生PWM1～PWM3信号用于控制三相星型半 控桥，同时数字控制器对永磁无刷直流电动机绕组电流和Cuk升降压变换器输出电压进 行采样，并经转速调节和电流调节转换成PWM4信号和PWM5信号，其中PWM4信号 用于控制能耗单元，PWM5信号用于控制Cuk升降压变换器的变压比，且随着永磁无刷 直流电动机转子转速的变化实时调整Cuk升降压变换器变压比以控制永磁无刷直流电 动机的驱动电压。

所述的Cuk升降压变换器包括输入滤波电感、自关断功率器件、输入滤波电解电容、 快恢复功率二极管、输出滤波电感和输出滤波电解电容，其中输入滤波电感一端接稳恒 直流电源的输出端，另一端接自关断功率器件的漏极和输入滤波电解电容，输入滤波电 解电容输出端接快恢复二极管的阳极和输出滤波电感的输入端，输出滤波电感的输出端 接输出滤波电解电容和永磁无刷直流电动机中线，自关断功率器件源极、快恢复二极管 的阴极、输出滤波电解电容的输出端均接地，其中输入滤波电解电容用于能量传递并和 输入滤波电感对稳恒直流电源电压进行滤波，输出滤波电感和输出滤波电解电容用于储 能并对输出电压进行滤波，通过控制自关断功率器件导通与关断时间对Cuk升降压变换 器变压比进行调整。

所述的能耗单元包括一个功率电阻和一个自关断功率器件，其中功率电阻的一端接 定子绕组中线，在能耗制动过程中用于消耗永磁无刷直流电动机反电动势产生的能量， 另一端接自关断功率器件的漏极，自关断功率器件源极接地。

所述的三相星型半桥包括三个自关断功率器件，其漏极分别接永磁无刷直流电动机 的三相绕组，通过调整三个自关断功率器件的开通与关断对永磁无刷直流电动机的换相 进行控制，源极接检测电阻R输出端。

所述的位置检测装置由霍尔位置传感器、低通滤波器和整形电路组成，霍尔位置传 感器检测永磁无刷直流电机转子位置信号，经低通滤波器滤波、整形电路整形后输出送 至数字控制器，用于控制永磁无刷直流电动机的换相及调速。