一種永磁無(wú)刷直流電機(jī)自抗擾一鎖相環(huán)雙�？刂品椒�
王燦1,2，劉 剛1.2，王志強(qiáng)1.2
(1．北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191：
2新型慣性儀表與導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京100191)
摘要：針對(duì)大型衛(wèi)星和未來(lái)空間站用控制力矩陀螺的高速轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問(wèn)題，提出了一種自抗擾一鎖裙環(huán)雙�？刂品椒�。通過(guò)電流轉(zhuǎn)速雙環(huán)自抗擾控制器和自抗擾鎖相環(huán)控制器兩種模式之間的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)制直流電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的快響應(yīng)、低超調(diào)和高精度控制。在期望轉(zhuǎn)速點(diǎn)上通過(guò)電流環(huán)自抗擾轉(zhuǎn)速鎖相環(huán)模式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高精度控制，在期望轉(zhuǎn)速點(diǎn)外通過(guò)雙環(huán)自抗擾控制器實(shí)現(xiàn)到期望轉(zhuǎn)速點(diǎn)的快速跟蹤。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述方法的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；自抗擾控制器；鎖相環(huán)；雙模控制；磁懸浮控制力矩陀螺
中圖分類號(hào)：TM301.2；TM36+l 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-6848（2010）01-0033-05
0引 言
磁懸浮控制力矩陀螺是大型衛(wèi)星、空間站等大型航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)長(zhǎng)壽命、大力矩的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能直接決定了航天器姿控性能的優(yōu)劣。而控制力矩陀螺的高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的角速度幅值精度（即穩(wěn)速精度）是影響其輸出力矩精度的重要因素之一。永磁無(wú)刷直流電機(jī)作為控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定精度是實(shí)現(xiàn)控制力矩陀螺輸出力矩的離精度控制的關(guān)鍵之一。
隨著控制要求的不斷提高，尤其是對(duì)轉(zhuǎn)子穩(wěn)速精度要求高的控制系統(tǒng)中，鎖相環(huán)控制得到了廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)速精度高，可達(dá)10.4量級(jí)，但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，抗干擾能力差。文獻(xiàn)[1-3]。從理論上將現(xiàn)代控制理論中的自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制和鎖相環(huán)控制相結(jié)合應(yīng)用到電機(jī)的控制中取得了很好的結(jié)果，但缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)用鎖相環(huán)控制方式使電機(jī)系統(tǒng)達(dá)到了較高的穩(wěn)速控制精度，但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題沒(méi)有得以解決。雙�？刂颇芎芎玫慕鉀Q鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)Ⅱ向應(yīng)的問(wèn)題[1]，但其以雙環(huán)PI 鎖相環(huán)雙�？刂茷橹�，控制效果有待提高。
自抗擾控制器不依賴系統(tǒng)模型，具有超調(diào)低、響應(yīng)速度快、算法簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[6-7]，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]將自抗擾控制器運(yùn)用到永磁同步電機(jī)中，得到了一種簡(jiǎn)單的非線性摩擦的補(bǔ)償方法；文獻(xiàn)[9]成功地將自抗擾控制器運(yùn)用到無(wú)刷直流電機(jī)的控制中并取得了一定效果，但其控制精度還有提升空間。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出無(wú)刷直流電機(jī)自抗擾一鎖相環(huán)雙�？刂�，將自抗擾控制響應(yīng)快、超調(diào)低的特點(diǎn)和鎖相環(huán)高精度的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)高精度快響應(yīng)控制。
1無(wú)刷直流電機(jī)自抗擾一鎖相環(huán)雙�？刂葡到y(tǒng)
自抗擾一鎖相環(huán)雙�？刂�( ADRC - PLL)是由電流和轉(zhuǎn)速雙環(huán)自抗擾控制器、電流環(huán)自抗擾轉(zhuǎn)速鎖相環(huán)雙環(huán)控制器和模式切換開關(guān)組成。其原理是首先通過(guò)雙環(huán)自抗擾控制器（模式I）將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升到期望轉(zhuǎn)速點(diǎn)，利用自抗擾控制無(wú)超調(diào)、快響應(yīng)的特點(diǎn)在期望轉(zhuǎn)速點(diǎn)上由模式切換開關(guān)判斷并切換到鎖相環(huán)控制模式（模式Ⅱ）以實(shí)現(xiàn)鎖相，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的快速、高穩(wěn)定度控制。當(dāng)外界擾動(dòng)使控制失鎖時(shí)，模式切換開關(guān)迅速將控制方式切換到模式I，由雙壞自抗擾控制器使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到入鎖范圍內(nèi)，再切到模式Ⅱ使系統(tǒng)重薪入鎖達(dá)到轉(zhuǎn)速高精度控制。ADRC-PLL雙�？刂瓶驁D,如圖1所示。
1.1永磁無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型
本文以二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電機(jī)為例，分析其數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性。為了便于分析，假定三相繞組完全對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布皆對(duì)稱；忽略齒槽、換相過(guò)程和電樞反應(yīng)等的影響；電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗。
三相繞組為星形連接，且沒(méi)有中線，則電壓方程可表示為：
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