[发明专利]一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制装置，主要用于新一代卫 星的长寿命、高精度姿态控制执行机构，用于抑制磁悬浮反作用飞轮电机的电磁转矩脉 动，保证磁悬浮反作用飞轮输出平稳控制力矩。

背景技术

飞轮是卫星姿态控制系统的关键执行部件，主要用于实现卫星姿态机动和姿态稳 定。在航天器姿态控制系统中，飞轮按照姿控系统指令，提供合适的控制力矩，矫正航 天器的姿态偏差，或完成某种姿态的调整。通过飞轮与卫星本体间的角动量交换，吸收 由于空间环境干扰力矩引起的星体角动量变化，实现稳定卫星姿态的目的。在航天空间 飞行器姿态控制中，通过对大惯量飞轮转子的加速和制动(减速)控制，产生施加在载 体上的反作用力矩，从而实现对载体运动的控制。当电机处于减速制动状态时，常用的 方法是：能耗制动和反接制动综合方法。当电机转速很高时，利用飞轮转子贮存的动能， 进行能耗制动；当电机的转速变低后，再切换成反接制动。

随着对卫星精度的要求越来越高，要求飞轮的控制精度越来越高。磁悬浮反作用飞 轮电机转矩脉动是影响磁悬浮反作用飞轮电机控制精度的主要因素，并且转矩脉动会降 低电力传动系统控制特性并造成机器噪音，振动，降低机器使用寿命和驱动系统的可靠 性。要实现磁悬浮反作用飞轮的高精度、高稳定控制就必须要采取有效的措施来抑制电 机转矩脉动。转矩脉动是无刷电机在低速运行时的一项十分重要的性能指标，通常高性 能伺服系统的低速转矩脉动应小于3％。造成转矩脉动的原因多种多样，电机的三大组成 部分都对转矩脉动有直接影响。按产生转矩脉动的原因，可分以下几方面：电磁因素引 起的转矩脉动、电流换相引起的转矩脉动、齿槽引起的转矩脉动、电枢反应影响和机械 工艺引起的转矩脉动等。

目前采用硬件对于转矩脉动的抑制装置主要是针对电机电动状态下的转矩脉动进 行抑制的，还未提出关于制动状态下的转矩脉动的抑制方法。通用的电动状态下的抑制 转矩脉动的方法为：在三相逆变桥前端加上BUCK变换器，其各部分连接关系如图3所示 (自张晓峰，胡庆.基于BUCK变换器的无刷直流电机转矩脉动抑制方法.电工技术学报. 2005，20(9).p72-p81)。通过单一直流母线电流的反馈闭环控制来抑制转矩脉动的 方法，这种转矩脉动抑制装置由降压斩波开关管21、LC滤波电路22、逆变电路23组成， 在这种控制方式下，由于三相逆变桥(逆变电路23)采用的是恒通方式，此时直流母线 上的采样电流值在每一个传导区内，不会出现脉动，可以实时地反映导通相绕组的真实 电流大小。此时直流母线电流反馈信号和给定信号的误差信号来控制BUCK电路开关管 (降压斩波开关管21)的占空比，来实现电机的转矩控制，使得电磁转矩Te在每一个传 导区内为恒定值，有效的消除了传导区转矩脉动的现象。但反作用飞轮不仅存在电动运 行状态还存在制动运行状态。采用这种装置，当飞轮输出正力矩处于电动运行状态时其 转矩脉动可以予以解决，但当飞轮输出负力矩进行反接制动时，此时逆变电路23运行与 电动状态相反的换相表，即当某相反电动势值最低时令此相开关管导通。为了防止产生 相间环流，要求绕组端电压高于反接制动运行状态下各相的最高反电动势，此时降压斩 波开关管21用来控制绕组端电压使其高于各相的最高反电动势，而逆变电路23各开关管 既进行换相又进行调制以产生要求的控制力矩，在调制过程中由于开关管不停的处于开 通与关断的切换状态，因此，绕组电流会出现上下波动，进而会产生转矩脉动。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术存在的反作用飞轮电机处于能耗制动、反 接制动运行过程中，由于开关管处于调制状态导通区电磁转矩脉动严重的问题，本发明 提出一种磁悬浮反作用飞轮电机电磁转矩脉动抑制方法，能够有效的降低反作用飞轮电 机在能耗制动、反接制动过程中产生的电磁转矩脉动。