大角动量无刷直流陀螺电动机的高精度稳速研究

单框架控制力矩陀螺转子的稳速控制林鲁超;徐开;陈长青;李峰;龚泽宇;曲直【摘要】为满足卫星姿态控制系统对单框架控制力矩陀螺(SGCMG)转子转速的动态以及稳态性能要求,提出了一种基于遗传算法拟双环-锁相环的双模控制方法,并在该方法中引入干扰力矩补偿控制,进而实现干扰情况下的稳速控制.为模拟电流环和转速环控制,利用遗传算法优化两组比例-积分(PI)参数组成参数可变的拟双环控制器,与锁相环组成双模控制可实现转速的快响应、低超调和高精度控制.针对SGCMG框架转动对转子转速产生扰动的问题,分析了扰动产生的原因,推导并结合实验数据得出了框架转速θ· 与干扰力矩Td的关系,在此基础上设计角速率前馈控制器,以力矩补偿的方式对干扰进行抑制.最终,转速波动可抑制到无补偿情况的15％,在期望转速4000 r/min的情况下,转速稳态误差小于0.045％.【期刊名称】《电光与控制》【年(卷),期】2019(026)008【总页数】6页(P95-100)【关键词】单框架控制力矩陀螺;遗传算法;双环控制;锁相环;框架干扰补偿;转子稳速【作者】林鲁超;徐开;陈长青;李峰;龚泽宇;曲直【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130000;中国科学院大学,北京 100000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130000;中国科学院大学,北京 100000;长光卫星技术有限公司,长春 130000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130000;中国科学院大学,北京 100000;长光卫星技术有限公司,长春 130000;长光卫星技术有限公司,长春 130000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130000;中国科学院大学,北京 100000【正文语种】中文【中图分类】TM330 引言单框架控制力矩陀螺(SGCMG)是一种航天器用高精度姿态控制执行机构。

通过驱动飞轮框架转动改变飞轮角动量方向，可以得到大小与框架角速度成正比的控制力矩，输入很小的框架角速度即可得到很大的控制力矩[1]，这对航天器的姿态控制具有重大意义。

科技与创新┃Science and Technology&Innovation 2023年第10期文章编号：2095-6835（2023）10-0078-02基于角动量守恒的位姿平衡系统设计＊刘江昊，杜艳红，董禹呈（天津农学院工程技术学院，天津300384）摘要：航空领域集合了高精度和最先进技术，将自动控制、材料、力学、化学等先进领域的成果综合起来，其中姿态控制是航空控制领域最重要、最基础的环节。

基于角动量守恒定律，以单片机STM32为核心控制器，接收并处理陀螺仪模块所采集到的位姿信息，经由数据解析和算法融合调速控制电机，使电机上的动量轮对系统产生相应的力矩以改变系统姿态，最终使系统达到位姿平衡。

通过实验验证了设计的合理性、可行性。

关键词：位姿平衡；算法融合；角动量守恒定律；自动控制中图分类号：V474.6文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2023.10.022目前，随着计算机技术、集成电路和通讯技术的飞速发展，被动稳定逐步发展为半主动控制，以增加稳定性、提高姿态精度、调节指向等为目标[1]。

动量轮实现的姿态控制方法称为自旋稳定，具有原理简单、效果好、成本低等优点，被广泛应用于人造卫星和航天飞机的姿态调整，大大提高了飞行器的发射成功率，减轻了研究人员的负担，提高了系统的稳定性。

1设计原理设计三维空间上控制角动量保持平衡时，以A电机为例，通过控制A电机带动飞轮左右旋转产生加速度来控制平衡[2]，如图1所示。

三维空间上控制角动量保持平衡时，需调用A、B、C这3路电机，如图2所示。

其中A电机控制Y轴平衡，B、C电机控制X轴平衡，A、B、C这3个电机共同控制Z轴旋转，原理仍为角动量平衡，仅增加了2个轴的控制，其中A电机控制Y轴，即左右倾斜，B、C电机合力控制X轴，即前后倾斜，3个电机又额外控制Z轴旋转。

图1电机定义图2三维空间定义在不考虑系统冗余度的情况下，本次设计采用3个正交安装的动量轮，与机体X、Y、Z这3个轴平行，正常状态为3个正交安装的反作用轮工作[3]。

基于PWM技术的无刷直流电机的调速系统设计Brushless DC Motor Speed Control System Based On PWM摘要无刷直流电机(BLDCM)具有调速性能优异、运行性能可靠和维护方便等优点，相较于有刷直流电机，其采用电子换向取代机械换向，有效地提高了电动机的运行效率，也使得其成品体积更加的轻巧。

但是无刷直流电机也存在转矩脉动、控制器复杂、成本较高等缺陷，这些缺陷的存在也一定程度上影响了无刷直流电机作为高效、先进电机在应用上的普及，因此研究如何改善以及解决无刷直流电机存在的问题便具有更加明显的现实意义。

MATLAB是一款用于数据分析与计算、算法开发以及动态系统建立与仿真的数学软件。

最初是由美国MathWorks公司出品的商用数学软件，其由Matlab和Simulink 两个重要组成部分构成，现在更是应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

本文通过对无刷直流电机结构以及工作原理的研究与分析，找出导致其具有较大转矩脉动的原因，并先从理论上得到如何抑制转矩脉动的方法，再通过Matlab 建立起无刷直流电机的仿真模型，对其仿真结果进行分析与改善，从而有效地抑制无刷直流电机的转矩脉动。

关键词：无刷直流电机，转矩脉动，仿真模型AbstractBrushless DC motor (BLDCM) has excellent speed performance, reliable performance and easy maintenance, etc., compared to a brush DC motor, which uses electronically commutated replace mechanical commutation, effectively improve the operating efficiency of the motor, but also so that the volume of the finished product more compact. But there brushless DC motor torque ripple controller complexity, high cost and other defects, the presence of these defects also affected to some extent, a brushless DC motor as efficient and advanced motor universal in application, how to improve and therefore research solve the problems of the brushless DC motor will have more obvious practical significance.MATLAB is a tool for data analysis and computation, algorithm development, and simulation of dynamic systems to establish and mathematical software. MathWorks was originally developed by the US company produced commercial mathematical software, which consists of Matlab and Simulink are two important parts, and now it is used in engineering calculations, control design, signal processing and communications, image processing, signal detection, financial modeling design and analysis and other fields.Based on the brushless DC motor structure and working principle of research and analysis to identify the cause of which has a large torque ripple, and theoretically first get how to suppress torque ripples, established through Matlab brushless Simulation Model DC motor, its simulation results are analyzed and improved in order to effectively suppress the torque ripple of the brushless DC motorKeywords:Brushless DC motor; The torque pulsation; The simulation model目录第一章绪论 (6)1.1 研究背景及研究意义 (6)1.2 无刷直流电机调速系统的国内外研究现状 (7)1.3 本文的主要研究内容及章节安排 (8)第二章无刷直流电机的基本原理 (9)2.1 无刷直流电机的基本结构 (9)2.1.1 电机本体 (9)1.电动机定子 (9)2. 电动机转子 (10)2.1.2 位置传感器 (10)2.2 无刷直流电机的工作原理及换相过程 (12)2.2.1 无刷直流电机的工作原理 (13)2.2.2 无刷直流电机的换相过程 (15)2.3 无刷直流电机的应用 (16)2.4 本章小结 (16)第三章基于PWM技术的无刷直流电机转矩脉动抑制 (17)3.1 PWM控制技术简介 (17)3.1.1 PWM控制技术的基本原理 (17)3.1.2 PWM控制技术的控制方法 (18)3.2 Buck变换器的原理及控制方式 (19)3.2.1 Buck变换器的原理 (19)3.2.2 Buck变换器的控制方式 (20)3.3 无刷直流电机转矩脉动的产生 (20)3.3.1传导区转矩脉动 (21)3.3.2换相区转矩脉动 (22)3.4 无刷直流电机转矩脉动的抑制 (24)3.5 本章小结 (27)第四章无刷直流电机的仿真分析 (28)4.1 MATLAB和SIMULINK的介绍 (28)4.2 无刷直流电机的数学模型 (29)4.2.1电机本体模块 (30)4.2.2转矩计算模块 (31)4.2.3速度控制模块 (32)4.2.4电流控制模块 (32)4.2.5电压逆变模块 (33)4.3无刷直流电机的仿真结果 (33)4.4本章小结 (38)结论 (39)致谢 (40)参考文献 (41)附录 (42)第一章绪论1.1 研究背景及研究意义对于工厂生产和社会发展而言，电力拖动都有着举足轻重的地位，为了满足生产工艺的需求，通过控制电机的转矩以及转速来控制电动机的转速以及位置，这样就可以形成一个自动化系统，称之为电力拖动。