小电枢电感永磁无刷直流电动机低功耗控制系统

摘要

小电枢电感永磁无刷直流电动机低功耗控制系统，可作为卫星、空间站姿态控制执行机构的低功耗驱动部件，它主要由降压斩波器、小电枢电感永磁无刷直流电动机、三相逆变桥、数字控制器、能耗单元等部件组成，通过检测梯形波反电势的峰值，将其加上一个适当的常值后作为降压斩波器的参考输入，并且随着电机转速的变化实时的调整降压斩波器的输入给定。本发明有效地降低了永磁无刷直流电动机动态升速过程中的铁耗和由PWM调制引起的转矩脉动、减小了电枢反应和电磁干扰，提高了飞轮驱动系统的动态性能和运行效率，对电能有限的航天器有重要的应用价值。

说明书

所属技术领域

本发明涉及永磁无刷直流电动机低功耗控制系统，用于卫星、空间站等航天器姿态控制执行机构的驱动部件的低功耗控制。

背景技术

卫星、空间站等航天器的姿态控制执行机构的驱动部件要求功耗低，以便充分利用航天器有限的电力能源。目前的姿态控制执行机构的驱动部件，均由稳恒直流电流直接加至由功率器件组成的三相逆变桥中，通过数字控制器采样位置信号、转速信号和电流信号，采用脉宽调制PWM调制方式对电动机进行调速，特别是对于小电枢电感永磁无刷直流电动机。这种结构的驱动部件由于其直流侧供电电压恒定，反电动势较低时，加在电枢两端的电压较大，从而引起电枢电流产生很大脉动，此时由PWM调制引起的电动机的涡流损耗占电动机总损耗的比重很大。为了使永磁无刷直流电动机PWM调制引起的涡流损耗降低，不得不增大定子电枢的电感值、降低供电电压，这些方法降低了电机的功率因数和动态响应性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种涡流损耗小、动态响应性能好的用于小电枢电感永磁无刷直流电机的低功耗控制系统。

本发明的技术解决方案是：小电枢电感永磁无刷直流电动机低功耗控制系统，包括稳恒直流电源、三相逆变桥、小电枢电感永磁无刷直流电动机和数字控制器，其特征在于：在稳恒直流电源和三相逆变桥之间加有降压斩波器和能耗单元，降压斩波器的输出电压通过能耗单元提供给三相逆变桥，在小电枢电感永磁无刷直流电动机的位置信号输出端加有反电动势检测装置，稳恒直流电源提供给降压斩波器一个恒定的电压，电机在升速过程中，反电动势检测装置将检测到的反电动势峰值送入数字控制器，该反电动势峰值与一个常值相加后作为降压斩波器的参考输入，并且随着小电枢电感永磁无刷直流电动机转速的变化实时的调整降压斩波器的输入给定，对永磁无刷直流电动机进行驱动和调速。

本发明的原理是：由于PWM引起的电机铁耗的大小与PWM脉冲的幅值平方成正比，因此，降低调速时的PWM脉冲幅值就可以有效的减小电机的铁耗。本发明在小电枢永磁无刷直流电动机升速过程中，利用反电动势检测装置检测某相定子电枢反电动势峰值，将该值加上一个适当的常数作为降压斩波器的参考输入电压，也就是使降压斩波器的输出电压跟随永磁无刷直流电动机相电动势的峰值而变化，并把降压斩波器的电压输出提供给三相逆变桥进行调速，这种结构减小了电流PWM的幅值，从而有效地降低了由PWM引起的永磁无刷直流电动机的涡流损耗。加入能耗单元的目的是在电机启动后斩波器输出电压过高时，通过该能耗单元将过高的电压能源消耗掉，以避免对三相逆变桥造成损坏。

本发明与现有技术相比的优点在于：采用了动态跟踪永磁无刷直流电动机相电动势的峰值，并通过对降压斩波器的反馈控制提供给三相逆变桥一个适当的输入电压，在保证永磁无刷直流电动机调速性能的前提下，降低了PWM的幅值变化，使得由PWM调制引起的永磁无刷直流电动机的涡流损耗大大减小，并且减小了由PWM调制引起的转矩脉动，从而保证了永磁无刷直流电动机电枢绕组在真空环境中能够运行在较理想的温度下。同时，节约了航天器的电力能源。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为图1的数字控制器原理框图；

图3为本发明的运算和控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由稳恒直流电源1、降压斩波器2、能耗单元3、三相逆变桥4、梯形波反电势永磁无刷直流电动机5、反电动势检测装置6、数字控制器7组成，稳恒直流电源1提供给降压斩波器2一个恒定的电压。电机在升速过程中，反电动势检测装置6将检测到的反电动势峰值送入到数字控制器7，该值与一个适当的常值相加后作为降压斩波器的参考输入。降压斩波器的输出电压提供给三相逆变桥4，对永磁无刷直流电动机5进行驱动和调速。在永磁无刷直流电动机5升速过程中，降压斩波器2的输出电压线性的跟随永磁无刷直流电动机5的反电动势峰值变化而变化。

如图1所示，降压斩波器1包括一个自关断功率器件、快恢复功率二极管、滤波电感和电解电容，关断功率器件的漏极接直流电源，源极接快恢复功率二极管的阴极和滤波电感的输入端，滤波电感的输出端接电解电容的正极，快恢复功率二极管的负极和电解电容的负极均接地。通过调节自关断功率器件触发门极的PWM的占空比来控制降压斩波器的输出电压。能耗单元3包括一个自关断功率器件和与其串接的一个功率电阻。当电机负载突减时需要启动能耗电阻，以保证功率平衡。三相逆变桥4包括六个自关断功率器件，控制电机的换向和调速。永磁无刷直流电机定子电枢绕组为三相Y接。

电动势检测装置由霍尔电压传感器、低通滤波器组成。霍尔电压传感器串接到永磁无刷直流电动机的C相绕组中，霍尔电压传感器的输出端接低通滤波器，低通滤波器的输出接到数字控制器的A/D转换通道。

如图2所示，本发明所述的数字控制器采用TMS320F2812，它由CPU、存储器、数字I/O、PWM生成模块和模数转换模块组成，模数转换模块对反电动势峰值、电枢电流、斩波器输出电压、电机转子位置信号进行采样。采样后的反电动势峰值加上电源电压的20％作为斩波器输出电压的给定值，电枢电流经滤波后用于控制电机的转矩，转子位置信号通过逻辑运算生成换向信号。经运算后生成8路PWM信号，其中PWM1～PWM6用于永磁无刷直流电动机5控制和调速、PWM7用于降压斩波器2的控制、PWM8用于能耗单元3的控制。

利用霍尔电压传感器检测某相定子电枢反电动势峰值，将该值加上一个适当的常数(一般为直流电源电压的20％)作为降压斩波器的参考输入电压，也就是使降压斩波器的输出电压跟随永磁无刷直流电动机相电动势的峰值而变化，并把降压斩波器的电压输出提供给三相逆变桥进行调速。