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| 高速無(wú)刷直流電機(jī)的快速鎖相控制方法（zxj） |
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摘要：作為航天器姿態(tài)控制的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制力矩陀螺(cMG)轉(zhuǎn)了的穩(wěn)速精度是決定其輸出力矩精度的重要因素之一，高速電機(jī)通常采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精轉(zhuǎn)速，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的飽和非線性大幅度延長(zhǎng)了鎖相跟蹤收斂時(shí)“口J和擾動(dòng)恢復(fù)時(shí)間，嚴(yán)重影響穩(wěn)速精度。本文建立r包含驅(qū)動(dòng)飽和特性的高速無(wú)刷直流電機(jī)鎖相控制系統(tǒng)模型，采用相平面法分析穩(wěn)定性和跟蹤時(shí)問(wèn)，提出基于串聯(lián)PD校正的快速鎖相控制方法，釗對(duì)潑方法進(jìn)行了仿真分析，鎖相跟蹤時(shí)間減少了90％，而且不會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該力法的正確性和有效件。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；鎖相環(huán)控制；非線性0 引 言控制力矩陀螺(cMG)是空間站等大型航天器實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于其具有大力矩、長(zhǎng)壽命、高精度、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，在航天控制應(yīng)用領(lǐng)域引起_廣廣泛的關(guān)注，自上個(gè)世紀(jì)60年代以來(lái)已在國(guó)內(nèi)外一系列大型航天器上得到廣泛的應(yīng)用。
高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)是cMG的重要組成部分，用r驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在一個(gè)額定轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定精度贏接影響cMG的輸出力矩精度。
鎖相環(huán)是目前最常用的相位同步方法，廣泛用于微波通信和機(jī)械控制領(lǐng)域”0。其利用獲得的相位信息與參考輸入進(jìn)行比較．進(jìn)而控制系統(tǒng)輸出，達(dá)到相位跟蹤與鎖定。為了實(shí)現(xiàn)CMG轉(zhuǎn)子的高精度轉(zhuǎn)速控制，鎖相環(huán)控制是****選擇。與其它控制方式相比，電機(jī)鎖相環(huán)具有很強(qiáng)的相位分辨能力，很高的轉(zhuǎn)速控制精度，滿足高精度力矩輸出的要求；另外高速電機(jī)負(fù)載力矩小，這個(gè)特點(diǎn)剛好彌補(bǔ)了鎖相環(huán)抗擾性差的不足。 由于cMG的高速電機(jī)繞組電感較小，****通過(guò)電流有上限；在高速工作時(shí)反電勢(shì)較高，對(duì)三相全橋的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)此時(shí)反向通電繞組會(huì)產(chǎn)生很大電流，極易損壞定子，這樣就無(wú)法輸出負(fù)力矩，因此通過(guò)鎖相環(huán)控制計(jì)算出的指令力矩在實(shí)際控制輸出中并不能達(dá)到，這相當(dāng)于在控制環(huán)路中引入一個(gè)類似飽和特性的非線性環(huán)節(jié)。一般電機(jī)鎖相環(huán)控制必須經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到所需的穩(wěn)速精度，而日收斂時(shí)間隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大而增加，引入非線性結(jié)構(gòu)之后輸出力矩存在飽和，這種情況將更嚴(yán)重�？焖冁i相跟蹤往往與穩(wěn)定度是不可兼顧的，實(shí)際設(shè)計(jì)中需權(quán)衡選擇。
對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)非線性特性的分析，文獻(xiàn)[3]
使用了描述函數(shù)法，將正弦信號(hào)作用下的輸出用一次諧波來(lái)近似，由此導(dǎo)山非線性環(huán)節(jié)的近似等效頻率特性，。邑不受系統(tǒng)階次的影響，一般用來(lái)分析無(wú)外作用的情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自振蕩問(wèn)題，但只能研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，不能解出時(shí)域特性。文獻(xiàn)[4]圍繞反饋控制這一目的，使用逆系統(tǒng)法并應(yīng)用數(shù)學(xué)工具直接研究非線性控制問(wèn)題，但需求解偽線性系統(tǒng)，這將增加很大的計(jì)算量。相平面法通過(guò)圖解將一階和二階系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)化為位置和速度平面上的軌跡，從而比較直觀準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的穩(wěn)定性、平衡狀態(tài)及初始條件對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的影響。相軌跡繪制步驟簡(jiǎn)單、計(jì)算量小，適合分析常見(jiàn)的一二階系統(tǒng)。本文采用這種方法建立鎖相環(huán)非線性控制的模型，分析了不同初始條件和控制參數(shù)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
1含非線性環(huán)節(jié)鎖相環(huán)模型基本的鎖相環(huán)包括三個(gè)環(huán)節(jié)(如圖l所示)，鑒頻鑒相器(PFD)、環(huán)路濾波器(I。F)、壓控振蕩器(VcO)，它是通過(guò)將反饋信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行混頻，得到一個(gè)調(diào)幅的高頻信號(hào)，當(dāng)它們的頻率很接近時(shí)，頻差信息不會(huì)被濾除，即通過(guò)相位差來(lái)控制整個(gè)環(huán)路穩(wěn)定‘“．由于鎖相環(huán)可以將頻率誤差控制得非常小，因而町以朋于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以得到極其精確的轉(zhuǎn)速控制。與一般的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)類似，如圖2所示，電機(jī)的鎖相環(huán)控制也包含三個(gè)部分，只是壓控振蕩器已被電機(jī)本體代替川。
但在控制力矩陀螺中的高速無(wú)刷直流電機(jī)，為了減小渦流損耗，定子線圈的電阻和電感做的很小，基本E呈現(xiàn)阻性。高速情況下反電勢(shì)很高，此時(shí)不能通過(guò)反轉(zhuǎn)輸出反向力矩；同時(shí)通過(guò)繞組的電流也有上限，岡此輸出****力矩也存在****值。這樣通過(guò)鎖相環(huán)計(jì)算出的電流指令并不能通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路得到相應(yīng)的輸出，而是存在一個(gè)非線性的環(huán)節(jié)。
包禽電流限制的鎖相環(huán)模型如同3所示。輸入相位日。(s)與反饋相位日。(s)的差值日。(s)經(jīng)過(guò)濾波器F(s)得到不含調(diào)制的相差信息，將此信號(hào)折算成電流值用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
由于電機(jī)是一個(gè)一階慣性系統(tǒng)，其鎖相環(huán)控制至少是二階。取******的情況，濾波函數(shù)只包含比例環(huán)節(jié)F(s)=K，此時(shí)輸出有恒定的靜態(tài)相差，但速度穩(wěn)定。假設(shè)開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)正要入鎖，初始相差口，(0)=0，初始速度差且初始轉(zhuǎn)速在鎖相環(huán)的捕獲帶內(nèi)，則描述系統(tǒng)的微分方程為2快速鎖相穩(wěn)定方法然而由于控制力矩陀螺的驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載阻力很小，以使穩(wěn)定點(diǎn)落在相平面的Ⅱ區(qū)內(nèi)，但同時(shí)也造成系統(tǒng)收斂慢，因此必須在濾波器，(s)中增加微分項(xiàng)以加快收斂。
但微分會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性，主要是對(duì)快捕帶(LockRange)大小產(chǎn)生影響。在電機(jī)控制中，可以認(rèn)為是進(jìn)入跟蹤狀態(tài)的初始速度差范圍。
圖4顯示正弦鑒相器的鎖相環(huán)人鎖過(guò)程中的相圖曲線。當(dāng)相位誤差接近飽和時(shí)，頻差必需足夠小才能收斂到平衡點(diǎn)，否則輸出信號(hào)將沿圖中分界線之外的曲線滑動(dòng)，直至有外力將其牽引至快捕帶內(nèi)．式中第二項(xiàng)包含相差信息，應(yīng)保證其通過(guò)環(huán)路時(shí)不被濾除，即滿足條件同時(shí)。，。為鑒相器諧振點(diǎn)，頻差大于此值時(shí)轉(zhuǎn)速將會(huì)失鎖或者進(jìn)入捕獲過(guò)程，在快捕過(guò)程巾應(yīng)避免頻差通過(guò)這個(gè)頻率點(diǎn)，即還要滿足圖6分別是有無(wú)微分情況下的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)l”de圖，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)調(diào)整k、kd使得截止頻率這樣快捕帶△ω=ωm從圖6中可以看到增加微分項(xiàng)使得相位超前，穩(wěn)定裕度得到提高，一定程度上增寬了快捕帶(L0ck Range)，但實(shí)際中由于較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣最使得快捕帶本身已經(jīng)很窄，相位超前增加的帶寬幅度非常有限。而且過(guò)大的微分系數(shù)會(huì)增加開(kāi)環(huán)增益，從而減小捕獲帶(Pull-inRange)，對(duì)穩(wěn)定性不利。 |
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