盛文杰，余菊峰，王建寬，陳世琪，張東寧

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0引 言

我國空間技術(shù)的發(fā)展，要求衛(wèi)星具備的功能越來越多，同時對衛(wèi)星指向精度和姿態(tài)穩(wěn)定度也提出了越來越高的要求。因此研制高精度、高穩(wěn)定度的衛(wèi)星是當(dāng)前空間技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。衛(wèi)星控制系統(tǒng)是衛(wèi)星的一個關(guān)鍵分系統(tǒng)，縱觀國內(nèi)外衛(wèi)星的發(fā)展，衛(wèi)星控制系統(tǒng)通常采用的執(zhí)行機構(gòu)是控制力矩陀螺，它的轉(zhuǎn)矩輸出精度直接決定了衛(wèi)星的姿態(tài)控制精度。而控制力矩陀螺的框架系統(tǒng)的角速率精度是影響其轉(zhuǎn)矩輸出精度的重要因素之一，因此要實現(xiàn)控制力矩陀螺輸出轉(zhuǎn)矩的高精度，必須實現(xiàn)其框架系統(tǒng)的高精度控制。

本文研制的永磁同步電動機及驅(qū)動主要應(yīng)用于控制力矩陀螺系統(tǒng)的低速伺服分系統(tǒng)，為該分系統(tǒng)的主要驅(qū)動元件。為了保證該系統(tǒng)的高精度控制，在電機結(jié)構(gòu)與電磁設(shè)計上進行了優(yōu)化設(shè)計，使電機具有體積緊湊、齒槽轉(zhuǎn)矩小、反電勢正弦度高等特點;在控制中采用了高精度鎖相環(huán)控制技術(shù)，使系統(tǒng)可以在低速情況下實現(xiàn)高精度控制。

1基本結(jié)構(gòu)和原理

1．1中空盤式結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機基本結(jié)構(gòu)

應(yīng)控制力矩陀螺整機的要求，為充分利用空間、減小體積，采用中空盤式的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，電機為分裝式結(jié)構(gòu)。具體的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)簡圖

電動機的結(jié)構(gòu)緊湊，與普通的無刷電動機相比可以看出，采用高精度旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的霍爾元器件，因此具有可靠性高、控制精度高等優(yōu)點。

定子部分為帶有繞組的定子鐵心，轉(zhuǎn)子部分由轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體組成，轉(zhuǎn)子采用徑向磁路結(jié)構(gòu)。

1．2 工作原理

該系統(tǒng)的位置傳感器采用高精度的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器，其轉(zhuǎn)子與電機同軸安裝，定子固定于電機定子上。當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出兩路正余弦信號，通過系統(tǒng)解調(diào)后可以得出定轉(zhuǎn)子之間的角度差值，以此確定電機的運行位置，并通過檢測旋轉(zhuǎn)變壓器的運行頻率確定電機的運行轉(zhuǎn)速?？刂茊卧邮者@些指令后控制驅(qū)動單元的開關(guān)元器件工作，使電機相電流的矢量合成與電機的磁極正交，以實現(xiàn)電機的矢量控制。驅(qū)動控制的原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)驅(qū)動控制原理框圖

2主要研究內(nèi)容及特點

2．1低脈動永磁同步電動機極槽配合設(shè)計及仿真

針對此系統(tǒng)的低速高穩(wěn)速精度等要求，設(shè)計的電動機采用低速大力矩的直驅(qū)永磁同步電動機。為了減小電機齒槽轉(zhuǎn)矩對系統(tǒng)高精度運行時的影響，該電動機采用了39槽12極分數(shù)槽繞組結(jié)構(gòu)形式，針對樣機的特殊結(jié)構(gòu)形式我們將39槽按星形電勢圖進行劃分，保證電機的三相繞組的平衡。在這里所述的情況(Z=39、p=6、m=3)，有3個繞組星形循環(huán)圖，兩對極下有13個元件，星形電勢圖如圖3所示。由于每個星形圖中的元件數(shù)是13，不是3的倍數(shù)，因此不可能構(gòu)成完全對稱的三相繞組。這種不對稱表現(xiàn)在兩方面:1)幅值不等;2)三相間空間夾角不是嚴格的120°電角度。由于整個繞組有三個重復(fù)星形圖，因此可以通過特殊設(shè)計將多出的一個元件均勻布置在三個循環(huán)里，繞組展開圖如圖4所示。

圖3 繞組星形電勢圖

圖4 繞組展開圖

同時通過與Maxwell 2D軟件相結(jié)合進行有限元優(yōu)化仿真設(shè)計，在保證輸出轉(zhuǎn)矩的條件下，降低電動機的齒槽力矩，使電動機運行平穩(wěn)，對系統(tǒng)的高精度運行影響最小。電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩仿真波形如圖5所示，反電勢波形如圖6所示。

由圖5可以看出，電機齒槽轉(zhuǎn)矩只有0．013 5 N·m，說明磁路設(shè)計和極槽配合是有效的。

從圖6可以看出，電機的反電勢波形正弦性較好，對系統(tǒng)進行正弦電流控制非常有利。

該電動機設(shè)計體現(xiàn)了體積緊湊、精度高和可靠性高的特點。針對其負載是控制力矩陀螺低速框架，為了實現(xiàn)高控制精度的要求，采用特殊形式的分數(shù)槽繞組，降低電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，保證電機在低速運行時的穩(wěn)定性。

2．2高精度調(diào)速的鎖相控制技術(shù)

為實現(xiàn)高穩(wěn)態(tài)精度的穩(wěn)速控制，文中采用鎖相控制技術(shù)實現(xiàn)電機的低速穩(wěn)速控制。由于鎖相環(huán)是將相位作為控制信號，相位是轉(zhuǎn)速的積分，對于轉(zhuǎn)速階躍，即使穩(wěn)態(tài)相位存在誤差，對于速度而言是無差的。當(dāng)速度反饋信號和速度參考信號鎖定時，電機的平均速度誤差將為零，只存在很小的瞬時高頻抖動，意味著很高的穩(wěn)態(tài)精度。

圖7 鎖相穩(wěn)速控制結(jié)構(gòu)

圖7為鎖相方式的穩(wěn)速控制器結(jié)構(gòu)圖，它包括:鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、由控制算法與驅(qū)動電路加永磁同步電動機以及位置檢測器件組成的壓控振蕩器(VCO)三部分。其工作原理如下:鑒相器將參考信號與反饋信號的相位進行比較，產(chǎn)生與相位誤差相對應(yīng)的電壓信號ud，輸送給環(huán)路濾波器;環(huán)路濾波器的作用是濾除ud中的高頻成分，改善環(huán)路性能，并將濾波后的電壓信號uf輸送給壓控振蕩器;驅(qū)動器采用相應(yīng)的控制算法接受uf指令并使電機輸出轉(zhuǎn)速向參考轉(zhuǎn)速接近，直至消除偏差而鎖定。

3應(yīng)用結(jié)果

本文以鎖相環(huán)技術(shù)作為系統(tǒng)速度控制的核心，設(shè)計了基于SVPWM的交流永磁同步電動機變頻調(diào)速控制的電動機及驅(qū)動器，并將該電機及驅(qū)動器與控制力矩陀螺低速伺服框架聯(lián)調(diào)進行了測試。系統(tǒng)中電動機額定轉(zhuǎn)速為0．01°/s、輸入電壓為 28 V(DC)、調(diào)速范圍為0．01°/s～5°/s。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整各項參數(shù)后達到:控制電機陀螺框架轉(zhuǎn)速帶寬達到10 Hz左右，在各個轉(zhuǎn)速點的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速控制精度都在0．01量級以下，平均轉(zhuǎn)速精度則穩(wěn)定在0．004左右。

4結(jié) 語

本文針對衛(wèi)星姿態(tài)控制用控制電機陀螺低速伺服框架的運行場合，以分數(shù)槽繞組永磁同步電動機作為驅(qū)動元件，采用獨特的繞組極槽配合設(shè)計技術(shù)使電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩明顯降低，提高系統(tǒng)穩(wěn)定運行精度;同時解決該控制方式下電動機的中空盤式結(jié)構(gòu)設(shè)計，永磁同步電動機體積更加緊湊，電動機的整體重量降低;采用鎖相技術(shù)保證系統(tǒng)在低速運行情況下保持高穩(wěn)速精度。研制的永磁同步電動機及控制器在已經(jīng)應(yīng)用于新一代控制電機陀螺系統(tǒng)，具有低速控制精度高、質(zhì)量輕和功耗低等特點，其技術(shù)水平居國內(nèi)領(lǐng)先地位，保證了控制電機陀螺的輸出轉(zhuǎn)矩精度，確保衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)節(jié)的整體精度。