反作用飞轮电机换相力矩波动抑制协同控制方法

针对反作用飞轮电机换相所产生的非理想力矩影响卫星姿态控制精度的问题,采用永磁无刷直流电机绕组感生电势、相电流和电磁转矩的解析计算方法得到了反作用飞轮电机的换相力矩波动最小化条件,提出了基于该最小化条件的换相力矩波动抑制高动态协同控制方法,抑制反作用飞轮电机三种运行状态下的换相力矩波动.试验结果表明,电动状态下换相力矩波动减小了12%、可控能耗制动和反接制动状态下换相力矩波动减小了90%以上,验证了该方法的可行性和有效性.     

基于MicroBlaze软核的反作用飞轮控制器设计

为提高卫星用反作用飞轮控制器的可靠性及实现其小型化,对基于MicroBlaze软核为控制核心的反作用飞轮控制器设计进行了研究。根据MicroBlaze软核开发环境,给出了反作用飞轮控制器结构和包括软硬件的现场可编程逻辑阵列(FPGA)内核配置与设计,介绍了片内电流环实现、直流无刷电极控制模块和模/数(A/D)转换等关键技术。试验结果表明:该反作用飞轮控制器体积明显减小,可靠性高,实用价值较大。     

微波成像仪伺服控制系统研究

系统采用稀土永磁同步电机作为伺服驱动电机 ,永磁无刷直流电机作为动量平衡电机构成微波成像仪驱动系统。伺服电机驱动采用电流、速度和位置三环控制 ,实现了伺服电机的稳定和高精度的运行。平衡电机驱动采用电流、速度和加速度三环控制 ,保证了平衡电机能够快速、精确地跟踪。系统基于多边形磁链轨迹法的设计思想 ,用作图法求得三相电压型逆变器的开关波形系列 ,硬件以TI公司的电机专用控制芯片TMS32 0F2 4 0DSP为控制核心 ,实现的伺服控制系统不仅具有优良的低速性能 ,而且精度高 ,转矩脉动小     

高速无刷直流电机在磁悬浮惯性执行机构中的应用研究进展

为了满足新一代卫星平台高精度、高稳定度的需求,研制了一种磁悬浮惯性执行机构用功耗低、精度高、体积小、重量轻的高速无刷直流电机,提出了多约束条件下电机定子结构和转子磁体结构的设计优化原则及方法,并就高精度的锁相速度控制以及铁耗和转矩脉动的抑制方法进行了研究.对比分析了国内外高速永磁无刷直流电机在磁悬浮惯性执行机构中的应用研究现状,指明了所提出的设计原则和控制方法对提高磁悬浮惯性执行机构整体性能的有效性.     

基于开关式Hall传感器的飞轮低速控制

研究了基于TMS320LF2407A的飞轮用无刷直流电动机的数字化速度控制方案。为提高飞轮系统的可靠性,通常在电机定子上安装开关式Hall器件来检测转子的位置。但由于Hall所能提供的位置脉冲有限,在低速时,仅利用Hall提供的位置信息,很难得到精确的速度估计。为此,文中提出改善基于Hall的无刷直流电机速度估计性能的两种方法:一是增加Hall数量,二是标定Hall安装偏差。不同条件下的实验结果表明,本文所提的方法是有效的。     

磁悬浮姿控储能两用飞轮能量转换系统PI协同控制

针对磁悬浮姿控储能两用飞轮能量转换系统负载变化引起的输出电压波动问题,提出一种用于并联DC\|DC Buck变换器拓扑结构的PI协同控制方法,该方法的电感电流内环采用协同控制器,其电流参考值来源于电压控制器输出均值。输出电压外环采用PI控制器,克服了基本协同控制方法对负载变化适应性和鲁棒性差的不足。仿真和试验结果表明,在负载突变和大范围变化的情况下,系统输出电压稳定、纹波小、鲁棒性好。
     

磁悬浮姿控/储能飞轮能量转换控制系统设计与实验研究

针对磁悬浮姿控/储能飞轮(ACESFW)的能量释放问题,采用直流降压斩波原理,设计了一种能量转换控制器,提出对降压斩波器输出进行软件功率因数校正的转换控制方法,将高速ACESFW存储的动能,转变为稳定直流电能输出。仿真和地面试验结果表明,所设计的能量转换器转换效率高,电压输出稳定,高频纹波小,可以满足星上设备的供电要求。     

磁悬浮飞轮用BLDC系统的仿真方法与实验分析

对以数字信号处理器(DSP)为控制器的磁悬浮飞轮用无刷直流电机(BLDC)系统,提出了一种在Matlab/Simulink中新的仿真方法,并通过实验,分析了该方法的有效性和适用性。通过构建各种功能模块,如无刷直流电机模块、三相逆变桥模块、逻辑换相模块和控制模块,实现了仿真方法;通过使用C MEXS-函数和子系统封装等Simulink模型优化技术,提高了仿真精度和速度。最后仿真和实验结果吻合较好,表明该仿真方法较为正确,对磁悬浮飞轮用BLDC系统的分析和设计具有重要的实用价值。     

基于单神经元PID算法的微小飞轮高精度控制

为了实现微小卫星高精度稳定并满足微小卫星“快、好、省”的原则,针对微小飞轮动态响应慢,经典控制方法系统输出力矩动态性能、稳态精度达不到要求的问题,推导了基于永磁无刷直流电机的微小飞轮动力学模型.通过建立基于单神经元PID的力矩模式控制系统,对该算法进行分析,设计实现了以现场可编程门阵列为控制核心的数字控制方案.采用该方案在微小飞轮工程样机上进行PID与单神经元PID算法的对比实验,结果表明:单神经元PID算法简单易于实现,超调量小,提高了力矩输出精度；该方案实现简单,重量轻,功耗低,集成度高,精度高,满足微小卫星的技术特点.     

反作用飞轮速率模式控制系统设计

反作用飞轮是卫星姿态控制系统的重要执行元件,速率模式是反作用飞轮一种工作模式,提高飞轮速率模式控制系统的性能对卫星姿态控制系统具有重要意义.详细讨论了反作用飞轮系统的数学模型,在此基础上实现了反作用飞轮速率模式控制系统设计.实验飞轮运行结果表明,设计的反作用飞轮速率模式控制系统能够抑制飞轮内部干扰和噪声,精确复现速率指令.灵敏度分析证明飞轮系统具有较好的鲁棒性.     

一种卫星反作用飞轮延寿方法

针对反作用飞轮长时间工作出现的性能退化问题,提出一种反作用飞轮和磁力矩器联合控制使反作用飞轮延寿的方法。通过滚动轴在姿态机动模式下采用比例积分微分(PID)轮控,而在正常稳态模式下使用比例微分(PD)磁控,实现在不降低姿态控制精度的前提下减少反作用飞轮工作时间,从而延长其工作寿命的目标。对联合控制姿态的延寿方法进行仿真分析,验证滚动轴稳态磁控算法、磁控接入及退出条件的正确性。以某低轨卫星为例进行在轨验证,遥测数据显示:卫星正常运行2年多,滚动轴姿态超差最大约2.6°,且绝大部分时间均小于1°,卫星稳态情况下没有自主切换回PID轮控方式,飞轮因长期轴承摩擦引起的电流、温度增大趋势得到有效缓解,飞轮在轨寿命得到延长。     

航天器ISOP直流变换器控制策略研究

分析了电压型控制和电流型控制的输入串联-输出并联(ISOP)航天器直流变换器的输入均压、输出均流特性,指出了电压型控制可以实现其输入电压自动均压、输出电流自动均流;电流型控制时其输入端电压等分是不稳定平衡,不能实现其输入端自动均压、输出自动均流。在电流控制模式下提出新的输入均压控制策略。通过1kW样机的仿真和试验结果,验证了文章分析的正确性和控制方法的有效性。     

一种SAR卫星电源变换器快速响应控制策略

合成孔径雷达(SAR)卫星的电源工作在脉冲模式,输出负载变化快且负载电流很大。为满足电源电压瞬态响应等关键供电指标的要求,保证输出电压保持在指标范围内,提出一种SAR卫星电源Buck变换器快速响应控制策略。该控制策略综合线性控制和非线性控制的优势,在瞬态过程中,非线性控制基于输出电压阈值检测接管母线电压控制,一旦输出电压恢复到允许的范围内,线性控制器继续进行电压调节控制,能在不增加输出滤波器的条件下提升系统的动态响应。通过仿真和试验与传统的比例积分(PI)控制策略进行对比,结果表明:文章提出的控制策略能在不增加输出电容的情况下,减小电压动态跌落并提高响应速度,提升SAR卫星电源变换器的动态性能。     

一种基于多霍尔的磁悬浮反作用飞轮速率模式控制方法

针对磁悬浮反作用飞轮速率模式高精度驱动控制问题,采用27个开关式Hall位置传感器,提出基于常增益卡尔曼滤波转速估计算法的转速测量方法,有效提高了飞轮转速控制精度。实验结果表明,低转速时,与12个Hall位置传感器测速方法相比较,力矩输出精度提高了一个量级,达到3×10-4N.m。     

行波管在轨可调高压数字化隔离控制电路设计方案

为了实现星载行波管放大器在轨功率和频率可调,需要遥控改变行波管的阴极电流和螺旋极电压。为了精准控制行波管的阴极电流和螺旋极电压以及控制灵活性,提出了用变压器隔离的串行数字化高压控制参考电压产生电路,电路通过传输两路脉冲信号：一路为开始和时钟复合脉冲,用于识别和准备接收数据以及分离时钟信号;另一路为数据信号,它是数字化的高电压值（对应螺旋极或阳极电压）。详细介绍了电路的组成、原理和参数设计方法,并用PSpice进行了仿真验证。仿真结果证明：电路能正确识别、接收和完成数据传输和转换功能。串行数字化高压隔离电路完全可以实现控制电压的精准传输,输出电压无纹波,控制方式灵活,易于调试。     

低轨偏置动量卫星气动干扰力矩补偿控制研究

针对低轨卫星由于气动干扰力矩较大导致偏置动量控制精度较低的问题,理论分析了气动干扰力矩并进行建模,讨论了基于角动量与角速率作用产生陀螺力矩的影响。固定偏置动量卫星X、Z轴基于磁力矩器控制,气动干扰力矩严重时又处于磁不可控区,为确保姿态控制精度,考虑增加1台反作用飞轮抑制气动干扰力矩,反作用飞轮可与偏置动量轮组成单自由度偏置动量控制,反作用飞轮用作补偿轮,沿X轴安装。采用飞轮角动量补偿和磁补偿方法提高固定偏置动量控制精度:为防止赤道上空X轴处于磁不可控区时补偿轮角动量变化对X轴的干扰,对补偿轮角动量输出进行限幅,给出了补偿算法;为防止反作用飞轮限幅后角动量对Z轴产生干扰,设计了磁补偿控制策略。仿真结果表明:在同时采用角动量补偿和磁补偿后三轴姿态控制精度0.2°,较无补偿时有大幅提高。     

高精度飞轮控制系统方案分析研究

卫星姿态控制是卫星控制领域里的最重要的一个方面 ,用于保证卫星的正常工作。一般的卫星姿态控制都采用飞轮控制方案 ,所采用的飞轮有磁悬浮飞轮和普通飞轮两种。虽然磁悬浮飞轮能克服飞轮自身摩擦力对卫星姿态的影响 ,但是磁悬浮飞轮在制造、工艺等方面要求高 ,而且成本昂贵。本文讨论了采用直流无刷电机控制普通飞轮的方案中关于转速和电流这两个关键参数的高精度控制问题 ,并给出了实际可行的解决方法。这些方法已在某型卫星上得到了部分应用。     

微波无线传能系统中直流阻抗匹配器设计

微波无线传能系统存在整流电路输出直流功率随直流负载变化而急剧下降，以及多路不同功率直流合成效率低的问题。为解决上述问题，本文探索在整流电路和直流负载之间设计直流阻抗匹配器。通过场效应管控制阻抗匹配器的开断实现输入电压与平均输入电流之比不变，从而保证匹配器的等效输入阻抗恒定不变，达到与整流电路匹配的目的。设计和制作了一款输入阻抗为400欧姆的直流阻抗匹配器。测试表明，即使直流负载从400~6000欧姆大动态变化，该直流阻抗匹配器能够稳定地实现约60%整流效率。对两路直流功率合成，与直接合成相比，该直流阻抗匹配器将合成效率提升了5.75%~19.18%。     

磁悬浮飞轮不平衡振动前馈抑制方法与实验

针对磁悬浮飞轮不平衡质量导致转子在高速旋转时径向振幅较大的缺点,提出了一种前馈抑制方法。建立了磁轴承转子动力学模型,基于达朗伯原理,分别得到了不平衡质量矩引起的动约束力和转子惯性轴偏离几何轴引起的离心力。仿真结果表明:转子两端的不平衡质量大小相等,转速为5000r/min时,飞轮转子采用前馈抑制方法后,转子径向振幅从12μm减小至2μm,减小约83%。实验结果与仿真结果一致,验证了前馈抑制方法可大幅度提高飞轮系统的稳定性。     

基于ZYNQ平台的嵌入式高性能驱动控制研究

针对传统的光电平台驱动控制方案闭环周期长和体积大的问题,提出了一种基于ZYNQ平台的驱动控制方法。通过采用模块化设计思想,充分发挥ZYNQ中PL部分的并行处理优势,建立对应CLARK变化、PARK变换、交直轴电流PI校正、反PARK变换和SVPWM模块的IP核,最终输出PWM信号控制驱动桥六个桥臂的开关状态。系统的PWM周期可达18 kHz,电流环的闭环周期可控制在50μs以内,极大地缩减了系统的闭环时间。实验结果表明,电交轴电流可以快速跟随方波和正弦波指令信号,且对应电机的三相电流平滑无畸变,纹波较小。不同频率的正弦输入信号证明了系统的闭环带宽可高于318 Hz,验证了方法的有效性,对于实现小型化高精度的伺服驱动控制具有重要参考价值。