[發明專利]一種磁懸浮反作用飛輪電機電磁轉矩脈動抑制裝置

有效

• 申請號: 200910236136.1
• 申請日: 2009-10-20
• 公開（公告）號: CN101694979A
• 公開（公告）日: 2010-04-14
• 發明（設計）人: 房建成;周新秀;劉剛;王志強
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H02P6/10
• 分類號: H02P6/10
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;盧紀

技術領域

本發明涉及一種磁懸浮反作用飛輪電機電磁轉矩脈動抑制裝置，主要用于新一代衛 星的長壽命、高精度姿態控制執行機構，用于抑制磁懸浮反作用飛輪電機的電磁轉矩脈 動，保證磁懸浮反作用飛輪輸出平穩控制力矩。

背景技術

飛輪是衛星姿態控制系統的關鍵執行部件，主要用于實現衛星姿態機動和姿態穩 定。在航天器姿態控制系統中，飛輪按照姿控系統指令，提供合適的控制力矩，矯正航 天器的姿態偏差，或完成某種姿態的調整。通過飛輪與衛星本體間的角動量交換，吸收 由于空間環境干擾力矩引起的星體角動量變化，實現穩定衛星姿態的目的。在航天空間 飛行器姿態控制中，通過對大慣量飛輪轉子的加速和制動(減速)控制，產生施加在載 體上的反作用力矩，從而實現對載體運動的控制。當電機處于減速制動狀態時，常用的 方法是：能耗制動和反接制動綜合方法。當電機轉速很高時，利用飛輪轉子貯存的動能， 進行能耗制動；當電機的轉速變低后，再切換成反接制動。

隨著對衛星精度的要求越來越高，要求飛輪的控制精度越來越高。磁懸浮反作用飛 輪電機轉矩脈動是影響磁懸浮反作用飛輪電機控制精度的主要因素，并且轉矩脈動會降 低電力傳動系統控制特性并造成機器噪音，振動，降低機器使用壽命和驅動系統的可靠 性。要實現磁懸浮反作用飛輪的高精度、高穩定控制就必須要采取有效的措施來抑制電 機轉矩脈動。轉矩脈動是無刷電機在低速運行時的一項十分重要的性能指標，通常高性 能伺服系統的低速轉矩脈動應小于3％。造成轉矩脈動的原因多種多樣，電機的三大組成 部分都對轉矩脈動有直接影響。按產生轉矩脈動的原因，可分以下幾方面：電磁因素引 起的轉矩脈動、電流換相引起的轉矩脈動、齒槽引起的轉矩脈動、電樞反應影響和機械 工藝引起的轉矩脈動等。

目前采用硬件對于轉矩脈動的抑制裝置主要是針對電機電動狀態下的轉矩脈動進 行抑制的，還未提出關于制動狀態下的轉矩脈動的抑制方法。通用的電動狀態下的抑制 轉矩脈動的方法為：在三相逆變橋前端加上BUCK變換器，其各部分連接關系如圖3所示 (自張曉峰，胡慶.基于BUCK變換器的無刷直流電機轉矩脈動抑制方法.電工技術學報. 2005，20(9).p72-p81)。通過單一直流母線電流的反饋閉環控制來抑制轉矩脈動的 方法，這種轉矩脈動抑制裝置由降壓斬波開關管21、LC濾波電路22、逆變電路23組成， 在這種控制方式下，由于三相逆變橋(逆變電路23)采用的是恒通方式，此時直流母線 上的采樣電流值在每一個傳導區內，不會出現脈動，可以實時地反映導通相繞組的真實 電流大小。此時直流母線電流反饋信號和給定信號的誤差信號來控制BUCK電路開關管 (降壓斬波開關管21)的占空比，來實現電機的轉矩控制，使得電磁轉矩Te在每一個傳 導區內為恒定值，有效的消除了傳導區轉矩脈動的現象。但反作用飛輪不僅存在電動運 行狀態還存在制動運行狀態。采用這種裝置，當飛輪輸出正力矩處于電動運行狀態時其 轉矩脈動可以予以解決，但當飛輪輸出負力矩進行反接制動時，此時逆變電路23運行與 電動狀態相反的換相表，即當某相反電動勢值最低時令此相開關管導通。為了防止產生 相間環流，要求繞組端電壓高于反接制動運行狀態下各相的最高反電動勢，此時降壓斬 波開關管21用來控制繞組端電壓使其高于各相的最高反電動勢，而逆變電路23各開關管 既進行換相又進行調制以產生要求的控制力矩，在調制過程中由于開關管不停的處于開 通與關斷的切換狀態，因此，繞組電流會出現上下波動，進而會產生轉矩脈動。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術存在的反作用飛輪電機處于能耗制動、反 接制動運行過程中，由于開關管處于調制狀態導通區電磁轉矩脈動嚴重的問題，本發明 提出一種磁懸浮反作用飛輪電機電磁轉矩脈動抑制方法，能夠有效的降低反作用飛輪電 機在能耗制動、反接制動過程中產生的電磁轉矩脈動。