周 勇，李正軍，馬 超，王小寧

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000）

1 前言

海洋二號(hào)（HY-2A）衛(wèi)星為國(guó)內(nèi)首顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，該衛(wèi)星安裝微波散射計(jì)和微波輻射計(jì)作為整星的重要載荷，提供全球海洋表面風(fēng)場(chǎng)，得到全球海洋上的風(fēng)矢量場(chǎng)、表面風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù)和全球海洋地形數(shù)據(jù)，獲取全球高分辨率的大洋環(huán)流、海洋大地水準(zhǔn)面、重力場(chǎng)和極地冰蓋的變異和全球海洋表面溫度。

HY-2A衛(wèi)星裝載的可轉(zhuǎn)動(dòng)載荷有微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)和激光通信裝置。微波輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和散射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別用于驅(qū)動(dòng)輻射計(jì)和散射計(jì)對(duì)地進(jìn)行圓錐掃描，并承載微探測(cè)頭部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀測(cè)。微波輻射計(jì)和微波散射計(jì)要求按照95°/s勻速掃描，散射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量為76.2 kg，輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為7.8 kg·m2（轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量為61.3 kg），它們分別安裝在衛(wèi)星的+Y側(cè)和-Y側(cè)，旋轉(zhuǎn)方向相反，由此可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)平衡，如圖1所示。

圖1 HY-2A衛(wèi)星載荷配置Fig.1 Instrument configuration on HY-2A spacecraft

高穩(wěn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)就越大，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量很難調(diào)和，電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速變化時(shí)的控制動(dòng)態(tài)特性很難保證；并且慣性系統(tǒng)中存在著擾動(dòng)因素，如電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、測(cè)量傳感器的量化誤差以及逆變器死區(qū)等，這些非線性因素會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。如此大慣量的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)矩會(huì)產(chǎn)生很大的慣性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的瞬時(shí)儲(chǔ)能很大，其轉(zhuǎn)速的波動(dòng)勢(shì)必會(huì)對(duì)整星姿態(tài)產(chǎn)生較大的影響，由此會(huì)造成對(duì)星上其他具有指向精度要求載荷儀器的指向造成干擾；如果速度波動(dòng)大，甚至?xí)绊懙秸菈勖?/p>

微波輻射計(jì)和微波散射計(jì)的擾動(dòng)對(duì)姿態(tài)角影響不大，但是對(duì)姿態(tài)角速度影響很大，這主要是由于衛(wèi)星受到輻射計(jì)和散射計(jì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的干擾力矩的周期性擾動(dòng)影響。根據(jù)衛(wèi)星飛行任務(wù)的要求，在衛(wèi)星本體平臺(tái)保持穩(wěn)定的同時(shí)，微波輻射計(jì)和微波散射計(jì)在95°/s勻速掃描過(guò)程中轉(zhuǎn)速的波動(dòng)量在200ms必須小于0.5°/s。如何保證微波輻射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和散射計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以高穩(wěn)速旋轉(zhuǎn)，滿足速度的波動(dòng)量不能超過(guò)0.5°/s的指標(biāo)要求，是需要解決的問(wèn)題。

2 高穩(wěn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 掃描伺服機(jī)構(gòu)

微波輻射計(jì)和微波散射計(jì)的掃描機(jī)構(gòu)采用相同的直接驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與負(fù)載的剛性耦合，以提高響應(yīng)能力。

掃描伺服機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，掃描機(jī)構(gòu)選用無(wú)刷直流力矩電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，中間的主軸既是天線和高頻箱的支撐結(jié)構(gòu)，又是承載整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的承力件，頂部為導(dǎo)電滑環(huán)，中間為旋轉(zhuǎn)變壓器，底部為電動(dòng)機(jī)及起支撐和承載作用的軸承。

在工作過(guò)程中掃描機(jī)構(gòu)中心軸固定不動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)外殼轉(zhuǎn)動(dòng)，外殼又帶動(dòng)天線和高頻箱轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)變壓器用來(lái)檢測(cè)掃描機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置，導(dǎo)電滑環(huán)用來(lái)將散射計(jì)的電信號(hào)傳遞到衛(wèi)星艙內(nèi)。

在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，軸承支撐機(jī)構(gòu)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接觸部件為滑環(huán)和軸承。導(dǎo)電滑環(huán)是電氣旋轉(zhuǎn)接頭零部件，滑環(huán)工作的時(shí)候需要24 h不間斷的運(yùn)轉(zhuǎn)，在安裝刷線時(shí)調(diào)節(jié)刷線的壓力，使壓力既能滿足接觸電阻的要求，也不會(huì)因摩擦力太大而影響壽命，滑環(huán)摩擦力的不平滑會(huì)引起轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。

為滿足高精度控制的需求，旋轉(zhuǎn)變壓器為多極雙通道，32對(duì)極，電氣精度為20″。電動(dòng)機(jī)采用低齒槽轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)磁場(chǎng)定向矢量控制，以實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

圖2 驅(qū)動(dòng)單元Fig.2 Driver unit

2.2 低齒槽轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)掃描機(jī)構(gòu)的高穩(wěn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，首先要設(shè)計(jì)具有輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小的特性的電機(jī)，并用以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。齒槽轉(zhuǎn)矩是影響電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要因素，齒槽轉(zhuǎn)矩的公式如下[1]

式（1）中，?g為氣隙磁密；R為氣隙磁阻；θ為轉(zhuǎn)子位置。

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁體和定子齒槽之間相互作用的結(jié)果。定子齒槽可引起氣隙磁阻的變化，氣隙磁阻周期變化，因此引起齒槽轉(zhuǎn)矩也是周期變化。其齒槽轉(zhuǎn)矩的周期次數(shù)為

齒槽轉(zhuǎn)矩的最低階數(shù)為

式（2）和式（3）中，p為極對(duì)數(shù)；Z為定子槽數(shù)。

理論上，可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減小齒槽轉(zhuǎn)矩。根據(jù)式（1），減小氣隙磁密?g和氣隙磁阻dR/dθ的變化率，均可實(shí)現(xiàn)減小齒槽轉(zhuǎn)矩。減小氣隙磁密是不可能的，因?yàn)闅庀洞琶軐?duì)電動(dòng)機(jī)力矩的輸出必不可少。為實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小的無(wú)刷直流力矩電機(jī)，需要從電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工藝、裝配等方面綜合設(shè)計(jì)。

從電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組形式，其對(duì)低階齒槽轉(zhuǎn)矩具有削弱作用。在電機(jī)尺寸確定的情況下，增加槽數(shù)Z，可以減弱齒槽轉(zhuǎn)矩，但不能無(wú)限制增加槽數(shù)。因此，設(shè)計(jì)合理的槽極比Z/2p是首要。該無(wú)刷直流力矩電機(jī)槽數(shù)Z為60，極數(shù)2p=64，根據(jù)式（2）、式（3），齒槽轉(zhuǎn)矩最低階數(shù)為16，諧波次數(shù)為960。隨著諧波次數(shù)的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩變小。此外，合理設(shè)計(jì)永磁體的形狀，選擇好極弧系數(shù)，設(shè)計(jì)合理槽口寬度也可以大大削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。

通過(guò)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以大大降低齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值，但由于制造工藝和裝配因素而引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)往往大于齒槽轉(zhuǎn)矩引起的波動(dòng)，如定轉(zhuǎn)子鐵心沖片的尺寸精度和形位公差對(duì)電機(jī)的性能和精度影響很大。由于該電機(jī)為分裝式，其不同軸度會(huì)影響氣隙的均勻性，導(dǎo)致氣隙磁阻的變化，根據(jù)式（1），必然引起齒槽轉(zhuǎn)矩的增大。所以，嚴(yán)格控制加工工藝和提高裝配要求，對(duì)減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是必不可少的。

該直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)采用32對(duì)極，定子齒槽采用梨形槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子采用優(yōu)化極弧系數(shù)、磁極表貼等措施優(yōu)化齒槽轉(zhuǎn)矩。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)3.2節(jié)，齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)3.3節(jié)。

2.3 速度量化誤差影響

就轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)而言，引起轉(zhuǎn)速脈動(dòng)有兩個(gè)因素：轉(zhuǎn)速采樣時(shí)間引起的相位滯后和轉(zhuǎn)速的分辨率。其中，若轉(zhuǎn)速采樣時(shí)間引起的滯后過(guò)大，會(huì)惡化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。而轉(zhuǎn)速檢測(cè)的分辨率對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性有著至關(guān)重要的作用。

數(shù)字位置傳感器以有限的分辨率給出位置的量化離散值，控制器通過(guò)等間隔對(duì)位置采樣，采用簡(jiǎn)單差分計(jì)算速度，這種由兩個(gè)位置計(jì)算速度會(huì)導(dǎo)致分辨率噪聲。這種由量化產(chǎn)生的噪聲，可能會(huì)產(chǎn)生極限環(huán)。通常，采用低通濾波器消除分辨率噪聲，這種濾波器可衰減高頻分量，因此可消除大多數(shù)因分辨率而影響性能的不良結(jié)果。但低通濾波器的使用，會(huì)在控制系統(tǒng)中引入相位滯后，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性以及減小系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度[2]。

1）速度誤差分析。速度誤差可由位置誤差直接計(jì)算。對(duì)于任何周期性誤差元件，位置誤差與時(shí)間的關(guān)系為

式（4）中，θerr(t)為位置誤差；θerr-max為位置的量化誤差；N為諧波次數(shù)；θ(t)為電動(dòng)機(jī)位置的時(shí)間函數(shù)。

速度誤差是位置誤差時(shí)間的倒數(shù)，即由角度分辨率引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)可表示為

2）固定角度計(jì)時(shí)法。假設(shè)角編碼器分辨率為0.005 493 164°，額定轉(zhuǎn)速100°/s。首先分析采用固定采樣時(shí)間計(jì)算轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的誤差。固定采樣時(shí)間間隔為1ms，則在該時(shí)間內(nèi)理想轉(zhuǎn)動(dòng)角度行程為0.1°，則走過(guò)的最小當(dāng)量計(jì)數(shù)數(shù)量為0.1/0.005493164=18.2個(gè)。假定由于±1個(gè)量化單位影響，在1ms內(nèi)走過(guò)的最小當(dāng)量計(jì)數(shù)數(shù)量為19個(gè)，則計(jì)算的轉(zhuǎn)速為19×0.005 493 164°/1ms=104.37°/s；在1ms內(nèi)走過(guò)的最小當(dāng)量計(jì)數(shù)數(shù)量為17個(gè)，則計(jì)算的轉(zhuǎn)速為17×0.005 493 164°/1ms=93.38°/s。由此可見(jiàn)，量化誤差將帶來(lái)6%～7%的誤差。

現(xiàn)設(shè)計(jì)固定角度計(jì)時(shí)法用以消除由于角編碼器量化產(chǎn)生的誤差。該方法即利用每轉(zhuǎn)過(guò)固定角度所用時(shí)間來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。在理想狀態(tài)下，假定機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過(guò)0.005 493 164×4°，所需時(shí)間為0.005 493 164×4°/100°=0.000 219 726 56 s；系統(tǒng)時(shí)鐘分辨率為50 ns。假定由于時(shí)鐘分辨率±1個(gè)量化單位的影響，那么其計(jì)算轉(zhuǎn)速分別為0.005 493 164×4°/（0.000 219 726 56 s+50 ns）=99.977 2°/s 和0.005 493 164×4°/（0.000 219 726 56 s-50 ns）=100.022 7°/s。

由此可見(jiàn)，采用固定角度計(jì)時(shí)法可大大提高速度值的分辨率，以減小由于角度值量化誤差而引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，同時(shí)可以引入盡可能小的相位滯后。

2.4 電流檢測(cè)誤差

相電流檢測(cè)通道固有的偏差（如直流偏置、增益的不匹配）會(huì)產(chǎn)生偏離錯(cuò)誤。因?yàn)榇艌?chǎng)定位控制建立在電流反饋的基礎(chǔ)上，所以任何的電流檢測(cè)錯(cuò)誤都會(huì)直接影響轉(zhuǎn)矩的性能[3]。

選用霍爾電流傳感器檢測(cè)定子電流，分別檢測(cè)A、B兩相電流，有直流偏置的兩相電流

則電動(dòng)機(jī)采用id=0控制策略，其輸出轉(zhuǎn)矩為

式（8）中，p為極對(duì)數(shù)；φ為永磁；iq為轉(zhuǎn)矩電流

將式（10）帶入式（8），得轉(zhuǎn)矩波動(dòng)量為

由于轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是與A、B相之間的相位移相關(guān)，所以這種類型的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很難補(bǔ)償。

2.5 空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）逆變器死區(qū)誤差

逆變器死區(qū)的存在將導(dǎo)致逆變器的輸出電壓發(fā)生畸變，使得電機(jī)的端電壓與逆變器的參考電壓存在偏差，降低了伺服控制的精度；導(dǎo)致零電流的鉗位現(xiàn)象，使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動(dòng)。

在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，上、下兩個(gè)功率器件均處于關(guān)閉狀態(tài)，只有一個(gè)二極管導(dǎo)通續(xù)流。此時(shí)的輸出電壓由輸出電流方向和二極管的壓降決定。如圖3所示，規(guī)定電流流入電機(jī)為正，流出為負(fù)，當(dāng)電流為正時(shí)（電流流向負(fù)載），由下管的續(xù)流二極管D4導(dǎo)通，輸出電壓為負(fù)；當(dāng)電流為負(fù)向時(shí)，上管的續(xù)流二極管D1導(dǎo)通，輸出電壓為正。輸出電壓的作用時(shí)間由開關(guān)管的開通時(shí)間（Ton）、關(guān)斷時(shí)間（Toff）和插入的死區(qū)時(shí)間（Td）共同決定，再考慮到開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的壓降，這些因素使得輸出電壓和期望電壓存在一定的誤差。

圖3 SVPWM逆變器一相橋臂結(jié)構(gòu)圖Fig.3 One phase leg of the SVPWM inverter

i＞0時(shí)的開關(guān)信號(hào)和死區(qū)誤差電壓如圖4所示，其中a表示理想的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，b表示插入的死區(qū)時(shí)間（Td）后存在延遲的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，c表示理想的逆變器輸出電壓波形，d表示i＞0時(shí)考慮了Td和器件開通關(guān)斷時(shí)間（Ton、Toff）帶來(lái)的逆變器輸出電壓，e表示i＜0時(shí)考慮了Td和Ton、Toff帶來(lái)的逆變器輸出電壓[4]。

圖4 開關(guān)信號(hào)和輸出電壓波形Fig.4 Sw itching patternsand output voltages

根據(jù)圖4，Ton、Toff和Td會(huì)造成逆變器輸出電壓的失真。根據(jù)繞組中電流i的方向，平均失真電壓為

針對(duì)調(diào)制的死區(qū)時(shí)間，應(yīng)該采用時(shí)間補(bǔ)償法來(lái)補(bǔ)償Td所引起的電壓波動(dòng)。定義誤差時(shí)間為Terr=Td+Ton-Toff。

SVPWM定時(shí)器補(bǔ)償后的計(jì)數(shù)值為

式（14）和式（15）中，k=a，b，c；CMPR_k_cmp為補(bǔ)償后的CMPR值；CMPR_k_ref為補(bǔ)償前的CMPR值；PWMPRD為基準(zhǔn)定時(shí)器的時(shí)鐘周期設(shè)定值。

3 基于精確模型機(jī)電仿真

3.1 仿真系統(tǒng)的建立

通常采用電路方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程的形式作為電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型假設(shè)忽略了電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)為正弦波、磁飽和、齒槽效應(yīng)等諸多非線性因素，由此作為電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型帶入整個(gè)仿真系統(tǒng)中，其仿真準(zhǔn)確度大大降低。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有強(qiáng)非線性，如果需要得到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，必須考慮電動(dòng)機(jī)的材料非線性、各類沖片結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，將電機(jī)本體的真正性能帶入到系統(tǒng)仿真中。通過(guò)將控制率和電動(dòng)機(jī)的真實(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行精確聯(lián)合仿真，可以得到最接近真實(shí)狀態(tài)的仿真結(jié)果。精確仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 精確模型仿真系統(tǒng)Fig.5 Instrument simuiation system of accuratemodelsystem

在該系統(tǒng)仿真中，通過(guò)引入了電機(jī)的精確模型分析，該模型考慮了電機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)、斜槽效應(yīng)、材料特性、疊壓系數(shù)、端部效應(yīng)、繞組空間分布以及硅鋼片材料的非線性鐵磁特性。在此基礎(chǔ)上建立控制器與電機(jī)精確的聯(lián)合仿真模型，使得控制策略與電機(jī)設(shè)計(jì)有效統(tǒng)一起來(lái)，在各部分模型精確分析完成后，進(jìn)行精確模型的聯(lián)合仿真，分析系統(tǒng)的綜合性能，同時(shí)根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化控制算法。該方法充分利用了電機(jī)設(shè)計(jì)磁路法的快速性和電磁場(chǎng)的精確性，可進(jìn)行永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩分析，分析齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)于電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響等。

3.2 仿真參數(shù)

伺服系統(tǒng)仿真中所用仿真參數(shù)分為電動(dòng)機(jī)參數(shù)和控制器參數(shù)。

3.2.1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

1）定子沖片參數(shù)。定子外徑：139mm；定子內(nèi)徑：87mm；定子長(zhǎng)度：35mm；迭壓系數(shù)：0.96；鐵心材料：H12；斜槽寬度：1。

2）定子槽參數(shù)。槽數(shù)：60；槽型：梨形槽。

3）定子繞組參數(shù)。繞組層數(shù)：雙層；節(jié)距：1；繞組類型：60度相帶；每槽導(dǎo)體數(shù)：60；并聯(lián)支路數(shù)：1；并繞根數(shù)：4；導(dǎo)線尺寸：0.29mm；輸入半匝長(zhǎng)度：41.3mm；槽楔厚度：0.12mm；最大槽滿率：50%。

4)轉(zhuǎn)子沖片參數(shù)。氣隙厚度：0.7mm；轉(zhuǎn)子內(nèi)徑：140.4mm；轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度：35mm；迭壓系數(shù)：1。

5)轉(zhuǎn)子磁極設(shè)計(jì)。磁極類型：表貼式；磁鋼類型：釤鈷2：17；極弧系數(shù)：0.861；極弧偏心距：0；磁鋼寬度：5.932mm；磁鋼厚度：3.3mm。

3.2.2 控制器參數(shù)

SVPWM調(diào)制頻率20 kHz，電流環(huán)采樣頻率10 kHz，速度環(huán)采樣頻率1 kHz。額定轉(zhuǎn)速要求95°/s。

3.3 仿真與在軌驗(yàn)證

3.3.1 齒槽轉(zhuǎn)矩曲線

圖6為電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果，齒槽轉(zhuǎn)矩為0.000 5 N·m，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩較小，對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響很小。

圖6 齒槽轉(zhuǎn)矩波形Fig.6 Cogging torque curve

3.3.2 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析

轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要包括反電勢(shì)和電流紋波引起紋波轉(zhuǎn)矩、齒槽轉(zhuǎn)矩以及閉環(huán)引起的波動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩如圖7所示，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)約為0.02 N·m。根據(jù)力矩波動(dòng)=轉(zhuǎn)動(dòng)慣量×加速度，即0.02N·m=a×7.8 kg·m2，得速度的變化率為0.1469°/s。

圖7 輸出轉(zhuǎn)矩分析Fig.7 Torque ripp le curve

該仿真未考慮滑環(huán)摩擦力的不平滑因素，通過(guò)負(fù)載地面轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)（未安裝滑環(huán)）測(cè)得，負(fù)載在95°/s速度時(shí)的波動(dòng)為0.11°/s，速度波動(dòng)如圖8所示。由此可見(jiàn)，控制器與電機(jī)精確的聯(lián)合仿真模型的結(jié)果與真實(shí)負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果一致。

3.3.3 在軌驗(yàn)證結(jié)果

圖8 轉(zhuǎn)速波動(dòng)曲線Fig.8 Speed ripp le curve

HY-2A衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)根據(jù)姿態(tài)敏感器所測(cè)的姿態(tài)信息按照誤差反饋消除誤差的原理工作，采用動(dòng)量輪補(bǔ)償微波輻射計(jì)和微波散射計(jì)在掃描過(guò)程中所產(chǎn)生的干擾力矩。圖9為微波輻射計(jì)2012年8月30日的在軌數(shù)據(jù)。圖9a～圖9d分別為衛(wèi)星滾動(dòng)軸角速度、俯仰軸角速度、偏航軸角速度和微波輻射計(jì)轉(zhuǎn)速曲線。由數(shù)據(jù)可看出，微波輻射計(jì)和微波散射計(jì)在掃描過(guò)程中所產(chǎn)生的對(duì)星體的干擾力矩，在偏航方向大于滾動(dòng)和俯仰方向，這是由于微波輻射計(jì)和微波散射計(jì)分別安裝在衛(wèi)星的+Y側(cè)和-Y側(cè)，如圖1所示，垂直飛行方向，所以產(chǎn)生的干擾力矩主要影響偏航方向的姿態(tài)。

圖9 2012年8月30日在軌姿態(tài)速率數(shù)據(jù)曲線Fig.9 Attitude curve on 2012-08-30

4 結(jié)語(yǔ)

HY-2A衛(wèi)星微波散射計(jì)和微波輻射計(jì)采用輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小的永磁交流同步電機(jī)，設(shè)計(jì)兼顧減小齒槽轉(zhuǎn)矩和增大輸出轉(zhuǎn)矩的梨形槽電機(jī)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化永磁體磁場(chǎng)分布，以達(dá)到在電機(jī)本體級(jí)實(shí)現(xiàn)最小輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的目標(biāo)。

在控制器設(shè)計(jì)方面，軸角編碼器的精度與分辨率、相電流檢測(cè)誤差、電壓空間脈寬調(diào)制等對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的性能有著相當(dāng)可觀的影響；通過(guò)對(duì)環(huán)節(jié)的參數(shù)計(jì)算所引入的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，有助于設(shè)計(jì)和選擇最佳的控制器參數(shù)，從而將由于控制器引入的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)降到最小。

該方案有效解決了微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)等載荷由于轉(zhuǎn)速的波動(dòng)而對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)控制產(chǎn)生干擾的問(wèn)題。

[1] Luke Dosiek.Cogging torque reduction in permanentmagnetmachines[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，43（6）：1565-1570.

[2] 喬治·埃利斯.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南（第三版）[M].劉君華，湯曉君，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[3] David Leggate，Russel JKerkman.Pulse-based dead-time compensator for PWM voltage invers[J].IEEE Transactionson IndustrialElectronics，1997，44（2）：191-197．

[4] Seon-Hwan Hwang.Dead time compensationmethod for voltagefed PWM Inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，25（1）：1-10．