[发明专利]一种磁悬浮控制力矩陀螺无刷直流电机的无传感器自适应换相误差补偿方法

说明书

本发明提出了一种磁悬浮控制力矩陀螺无刷直流电机的无传感器自适应换相误差补偿方法：首先，在考虑换相误差的情况下，根据无刷直流电机的三相反电动势傅里叶级数形式的表达式和直流母线电压表达式，推导出含有换相误差信息的直流母线电压表达式，并根据这个表达式建立状态空间方程，扩张出含有换相误差信息的状态变量，进而设计系统的扩张状态观测器，用以观测含有换相误差信息的集总扰动，最后，当控制系统检测到换相点时，用扩张状态观测器估计换相误差，对无刷直流电机的换相误差进行补偿。本发明减少了电机的运行损耗，提高了无刷直流电机的换相精度和效率，可用于实现磁悬浮控制力矩陀螺高速转子电机系统的高精度电机换相控制。

技术领域

本发明属于框架磁悬浮CMG电机伺服系统控制领域，具体涉及一种磁悬浮控制力矩陀螺无刷直流电机的无传感器自适应换相误差补偿方法，用于无刷直流电机的换相误差自适应补偿，有助于提高电机效率并减小无刷直流电机的损耗，实现无刷直流电机的无传感器精确换相，进而实现控制力矩陀螺高精度角速率输出。

背景技术

航天器姿态控制的惯性执行机构主要包括控制力矩陀螺(CMG)和惯性动量轮(IMW)。磁悬浮控制力矩陀螺因其具有输出扭矩大、动态性能好、控制精度高等优点而成为航天器姿态控制的首选执行机构。无刷直流电机驱动的磁悬浮高速转子系统是磁悬浮控制力矩陀螺的重要组成部分，高速转子角速率的控制精度对输出力矩的精度有严重的影响，而想要得到高精度的高速转子角速率就要精确控制无刷直流电机的换相过程。

无刷直流电机具有高功率密度和控制结构简单的优点，是高速转子系统的比较理想的驱动器。然而，无刷直流电机在工作的过程中需要进行换相，在确定换相点的过程中必须使用低通滤波器从端子电压中滤除开关噪声和纹波，这不可避免地会引入与速度成正比的相位延迟，这些相位延迟会导致无刷直流电机在换相的过程中存在换相误差，进而影响到无刷直流电机的控制精度。

换相点的位置信息可以通过机械传感器获得，也可以通过反电动势(EMF)进行估算。机械传感器的主要缺点是一旦传感器损坏，维修之后的安装精度将大大降低，在航空航天等应用中，甚至可能无法拆卸和修理电动机。而无传感器检测方法则不具有这些限制，是BLDC电机最受欢迎的无传感器控制方法之一。

无传感器检测方法依据的原理各有不同。可以通过检测相电压的过零点并延迟30°，从而得到六个换相点；也可以通过检测端电压获得换相点，这种方式的无传感器检测方法对电机是否有中性线没有要求。

大多数无传感器控制方法都假定无刷直流电机的反电动势是理想的梯形波。但是这种假设不是很准确，磁悬浮无刷直流电机的气隙比机械轴承无刷直流电机的气隙宽得多。当转子悬浮在气隙中间时，气隙磁通密度的波形以及反电动势不是理想的梯形波，而更接近正弦波。因此，本发明基于反电动势推导了一种新型的直流母线电压表达式，再依据该表达式对换相系统进行扰动观测和补偿。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种磁悬浮控制力矩陀螺无刷直流电机的无传感器自适应换相误差补偿方法，通过设计扩张状态观测器估计和补偿集总干扰，不仅提高了无刷直流电机的换相精度，还减少了电机损耗，提高了电机效率。

本发明解决上述问题采用的技术方案为：

一种磁悬浮控制力矩陀螺无刷直流电机的无传感器自适应换相误差补偿方法，其特征在于，首先，在考虑换相误差的情况下，根据无刷直流电机的三相反电动势傅里叶级数形式的表达式和直流母线电压表达式，推导出新型的具有一般性的含有换相误差信息的直流母线电压表达式，并根据这个表达式建立状态空间方程，扩张出含有换相误差信息的状态变量，进而设计系统的扩张状态观测器，用以观测含有换相误差信息的集总扰动，最后当控制系统检测到换相点时，用扩张状态观测器估计换相误差，对无刷直流电机的换相误差进行补偿。

所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：建立磁悬浮控制力矩陀螺无刷直流电机的相位反电动势傅立叶级数形式的表达式为：