[發(fā)明專利]一種磁懸浮控制力矩陀螺無刷直流電機(jī)的無傳感器自適應(yīng)換相誤差補(bǔ)償方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911105348.6
• 申請(qǐng)日: 2019-11-13
• 公開（公告）號(hào): CN110716577B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李海濤;孔令文;張海峰;于江坤;崔馨方
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/08
• 分類號(hào): G05D1/08
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11129
• 代理人: 吳小燦;張濤

本發(fā)明提出了一種磁懸浮控制力矩陀螺無刷直流電機(jī)的無傳感器自適應(yīng)換相誤差補(bǔ)償方法：首先，在考慮換相誤差的情況下，根據(jù)無刷直流電機(jī)的三相反電動(dòng)勢(shì)傅里葉級(jí)數(shù)形式的表達(dá)式和直流母線電壓表達(dá)式，推導(dǎo)出含有換相誤差信息的直流母線電壓表達(dá)式，并根據(jù)這個(gè)表達(dá)式建立狀態(tài)空間方程，擴(kuò)張出含有換相誤差信息的狀態(tài)變量，進(jìn)而設(shè)計(jì)系統(tǒng)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，用以觀測(cè)含有換相誤差信息的集總擾動(dòng)，最后，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到換相點(diǎn)時(shí)，用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)換相誤差，對(duì)無刷直流電機(jī)的換相誤差進(jìn)行補(bǔ)償。本發(fā)明減少了電機(jī)的運(yùn)行損耗，提高了無刷直流電機(jī)的換相精度和效率，可用于實(shí)現(xiàn)磁懸浮控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子電機(jī)系統(tǒng)的高精度電機(jī)換相控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于框架磁懸浮CMG電機(jī)伺服系統(tǒng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種磁懸浮控制力矩陀螺無刷直流電機(jī)的無傳感器自適應(yīng)換相誤差補(bǔ)償方法，用于無刷直流電機(jī)的換相誤差自適應(yīng)補(bǔ)償，有助于提高電機(jī)效率并減小無刷直流電機(jī)的損耗，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的無傳感器精確換相，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制力矩陀螺高精度角速率輸出。

背景技術(shù)

航天器姿態(tài)控制的慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括控制力矩陀螺(CMG)和慣性動(dòng)量輪(IMW)。磁懸浮控制力矩陀螺因其具有輸出扭矩大、動(dòng)態(tài)性能好、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)而成為航天器姿態(tài)控制的首選執(zhí)行機(jī)構(gòu)。無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁懸浮高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是磁懸浮控制力矩陀螺的重要組成部分，高速轉(zhuǎn)子角速率的控制精度對(duì)輸出力矩的精度有嚴(yán)重的影響，而想要得到高精度的高速轉(zhuǎn)子角速率就要精確控制無刷直流電機(jī)的換相過程。

無刷直流電機(jī)具有高功率密度和控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，是高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的比較理想的驅(qū)動(dòng)器。然而，無刷直流電機(jī)在工作的過程中需要進(jìn)行換相，在確定換相點(diǎn)的過程中必須使用低通濾波器從端子電壓中濾除開關(guān)噪聲和紋波，這不可避免地會(huì)引入與速度成正比的相位延遲，這些相位延遲會(huì)導(dǎo)致無刷直流電機(jī)在換相的過程中存在換相誤差，進(jìn)而影響到無刷直流電機(jī)的控制精度。

換相點(diǎn)的位置信息可以通過機(jī)械傳感器獲得，也可以通過反電動(dòng)勢(shì)(EMF)進(jìn)行估算。機(jī)械傳感器的主要缺點(diǎn)是一旦傳感器損壞，維修之后的安裝精度將大大降低，在航空航天等應(yīng)用中，甚至可能無法拆卸和修理電動(dòng)機(jī)。而無傳感器檢測(cè)方法則不具有這些限制，是BLDC電機(jī)最受歡迎的無傳感器控制方法之一。

無傳感器檢測(cè)方法依據(jù)的原理各有不同?？梢酝ㄟ^檢測(cè)相電壓的過零點(diǎn)并延遲30°，從而得到六個(gè)換相點(diǎn)；也可以通過檢測(cè)端電壓獲得換相點(diǎn)，這種方式的無傳感器檢測(cè)方法對(duì)電機(jī)是否有中性線沒有要求。

大多數(shù)無傳感器控制方法都假定無刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)是理想的梯形波。但是這種假設(shè)不是很準(zhǔn)確，磁懸浮無刷直流電機(jī)的氣隙比機(jī)械軸承無刷直流電機(jī)的氣隙寬得多。當(dāng)轉(zhuǎn)子懸浮在氣隙中間時(shí)，氣隙磁通密度的波形以及反電動(dòng)勢(shì)不是理想的梯形波，而更接近正弦波。因此，本發(fā)明基于反電動(dòng)勢(shì)推導(dǎo)了一種新型的直流母線電壓表達(dá)式，再依據(jù)該表達(dá)式對(duì)換相系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng)觀測(cè)和補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種磁懸浮控制力矩陀螺無刷直流電機(jī)的無傳感器自適應(yīng)換相誤差補(bǔ)償方法，通過設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)和補(bǔ)償集總干擾，不僅提高了無刷直流電機(jī)的換相精度，還減少了電機(jī)損耗，提高了電機(jī)效率。

本發(fā)明解決上述問題采用的技術(shù)方案為：

一種磁懸浮控制力矩陀螺無刷直流電機(jī)的無傳感器自適應(yīng)換相誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，首先，在考慮換相誤差的情況下，根據(jù)無刷直流電機(jī)的三相反電動(dòng)勢(shì)傅里葉級(jí)數(shù)形式的表達(dá)式和直流母線電壓表達(dá)式，推導(dǎo)出新型的具有一般性的含有換相誤差信息的直流母線電壓表達(dá)式，并根據(jù)這個(gè)表達(dá)式建立狀態(tài)空間方程，擴(kuò)張出含有換相誤差信息的狀態(tài)變量，進(jìn)而設(shè)計(jì)系統(tǒng)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，用以觀測(cè)含有換相誤差信息的集總擾動(dòng)，最后當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到換相點(diǎn)時(shí)，用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)換相誤差，對(duì)無刷直流電機(jī)的換相誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

所述方法包括以下步驟：

步驟(1)：建立磁懸浮控制力矩陀螺無刷直流電機(jī)的相位反電動(dòng)勢(shì)傅立葉級(jí)數(shù)形式的表達(dá)式為：