[發明專利]一種星載大慣量負載機構高穩速驅動控制方法

有效

• 申請號: 201310209979.9
• 申請日: 2013-05-30
• 公開（公告）號: CN103269200A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發明（設計）人: 周勇;喬璐;馬超;張恒超;閆劍虹
• 申請（專利權）人: 西安空間無線電技術研究所
• 主分類號: H02P21/14
• 分類號: H02P21/14;H02P27/12
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 龐靜

技術領域

本方法涉及對大慣量轉動機構的控制驅動方法，特別要求具有高穩速精度，屬于天線控制技術領域。

背景技術

微波輻射計掃描機構和散射計掃描機構分別用于驅動輻射計和散射計對地進行圓錐掃描，并承載微探測頭部結構及內部電子設備，實現對地觀測。散射計轉動部分質量為76.2kg，輻射計轉動慣量7.8kgm²（轉動部分質量為61.3kg），分別以95°/s勻速轉動。

掃描機構亦稱負載機構采用相同的直接驅動方式，實現電動機與負載的剛性耦合，以提高響應能力。掃描伺服機構結構示意圖如圖1所示，掃描機構選用無刷直流力矩電機采用外轉子結構，中間的主軸既是天線和高頻箱的支撐結構，又是承載整個轉動部分的承力件，頂部為導電滑環1，中間為旋轉變壓器3，底部為電動機（電機轉子5和電子定子6）及起支撐和承載作用的軸承2。在工作過程中掃描機構中心軸固定不動，電機驅動外殼4轉動，外殼又帶動天線和高頻箱轉動（圖中7為高頻箱接口），旋轉變壓器用來檢測掃描機構轉動的位置，導電滑環用來將散射計的電信號傳遞到衛星艙內（8為衛星艙板安裝接口）。在轉動過程中，軸承支撐機構做相對運動，接觸部件為滑環和軸承。導電滑環是電氣旋轉接頭零部件，滑環24小時不間斷的運轉。

掃描機構控制電路由DSP、FPGA、粗精雙通道旋變解算電路、高精度霍爾電流采集電路、三相橋驅動電路組成，如圖2。

由于永磁同步電機強非線性，其參數變化會影響控制精度和動態響應速度，就必須尋求合適的控制方式，以實現對轉矩和轉速的高精度閉環控制。

負載的轉動慣量越大，電動機控制系統的機械時間常數就越大，系統的響應時間和超調量很難調和，電動機在轉速變化時的控制動態特性很難保證；并且慣性系統中存在著擾動因素，如電動機的齒槽轉矩波動、測量傳感器的量化誤差以及逆變器死區等，這些非線性因素會在系統中產生轉矩波動，從而引起轉速波動。

如此大慣量的負載轉動，轉矩會產生很大的慣性轉矩，電機的瞬時儲能很大，其轉速的波動勢必會對整星姿態產生較大影響，由此會造成對星上其它具有指向精度要求載荷儀器的指向造成干擾；如果速度波動大，甚至會影響到整星壽命。

與本申請相關的技術文獻說明如下：

[1]袁立，楊磊.衛星相機低速大慣量高精度掃描機構技術研究.全國第十二屆空間及運動體控制技術學術年會論文.2006；

[2]韓昌佩.低速大慣量高精度掃描控制系統的電流環設計.紅外.2005；

[3]龐微.帶大慣量負載的空間驅動機構運動特性分析.南京航空航天大學碩士學位論文.2009；

文獻[1]提出了用于光機掃描儀實現高精度掃描而需考慮的掃描方式、掃描鏡輕量化設計、支撐技術以及驅動方式考慮因素；

文獻[2]提出適合于風云四號氣象衛星掃描輻射計掃描控制系統的電流環控制方法，并給出了電流環的原理框圖；

文獻[3]通過分析太陽電池陣驅動機構在空間環境中的負載特性，構建了大慣量負載作用下的驅動機構受力模型，仿真在各種工況下驅動機構的負載轉速和負載力矩曲線，并對系統的諧振頻率進行仿真。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種星載大慣量負載機構高穩速驅動控制方法，利用該方法能夠保證負載機構穩速旋轉，滿足速度的波動量不能超過0.2/s的指標要求。

本發明的技術解決方案是：星載大慣量負載機構高穩速驅動控制方法，所述的負載機構包括電機、旋轉變壓器和高頻箱，方法步驟如下：

（1）對電機通以直流電，待負載機構穩定后，計算電機與旋轉變壓器的相位差；

（2）在當前速度環采樣時刻采集電機的當前轉速，根據電機的額定轉速和當前轉速，利用自適應PID計算轉矩電流；

（3）在當前電流環采樣時刻采集電機A、B相繞組電流i_A、i_B并對其進行離散傅里葉DFS計算，得到i_A、i_B的諧波頻譜、幅值、相位；

（4）根據步驟（3）的結果以及轉子磁場角θ_R計算補償系數，利用補償系數對電機A、B相繞組電流i_A、i_B進行諧波補償；

（5）將步驟（4）補償后的電機A、B相繞組電流轉換到轉子坐標系下；

（6）利用步驟（2）計算的轉矩電流計算轉子坐標系的兩軸電壓；