● 摘要
磁悬浮控制力矩陀螺（Control Moment Gyroscope, CMG）具有高精度、大力矩、低功耗、高可靠性以及长寿命等优势，是敏捷机动卫星与空间站等航天器重要的姿态控制惯性执行机构。磁悬浮CMG高速转子采用无刷直流电机（Brushless DC motor, BLDCM）驱动，其稳速精度直接影响了磁悬浮CMG整机的输出力矩精度。同时，由于其应用场合的特殊性，空间用BLDCM系统对电机本体及其控制系统功耗及可靠性的要求远高于传统工业领域。本文以磁悬浮CMG高速电机及其驱动系统为研究对象，围绕磁悬浮CMG高速转子驱动系统高精度、低功耗及高可靠控制技术进行研究，从基于开关霍尔位置传感器的BLDCM高精度换相方法、基于无位置传感器控制的BLDCM高精度换相方法、驱动系统中逆变器故障分析及在线故障诊断方法、驱动系统中逆变器容错拓扑结构设计及故障隔离与系统重构方法四个方面，主要进行了以下研究：
1、针对开关霍尔位置传感器换相控制方式下存在的换相误差导致磁悬浮CMG小电枢电感高速BLDCM转矩脉动与稳态功耗增大的问题，首先分析了换相误差的产生原因，进一步对高速下非导通相二极管续流的产生原因及其对电机工作性能的影响进行了详细分析。在此基础上，提出了一种基于换相前后直流母线电流差值的换相点自校正方法。通过采样换相前后的直流母线电流，估计换相误差时间，对换相点进行实时校正，实现了开关霍尔位置传感器换相控制方式下的高精度换相，消除了高速下的非导通相续流现象，减小了转矩脉动对稳速精度的影响，降低了磁悬浮CMG高速电机稳态功耗。
2、针对无位置传感器换相控制方式下存在的换相误差导致磁悬浮CMG小电枢电感高速BLDCM转矩脉动与稳态功耗增大的问题，在传统的线电压过零点检测方法基础上提出了一种基于电压变换、低通滤波与迟滞比较器组合补偿电路的BLDCM无位置传感器换相误差分段补偿方法。首先针对传统的线电压过零点检测方法中的换相点检测误差进行了分析，在此基础上，分别在低速段与中、高速段选择合适的低通滤波及电压变换系数，结合迟滞比较器提高了过零点检测的可靠性，实现了全速度范围内BLDCM无位置传感器高可靠换相以及中、高速区间的高精度换相，有效消除了非导通相续流，减小了转矩脉动对稳速精度的影响，降低了电机稳态功耗。
3、针对磁悬浮CMG高速电机驱动系统中逆变器故障率高、故障后可能导致系统瘫痪的问题，进行了逆变器在线故障诊断方法的研究，为实现电机驱动系统的容错控制奠定了基础。首先对Buck变换器加三相全桥逆变器单管开路、短路故障情况下的不同工作特性进行了故障分析，在系统现有的单电流传感器硬件基础上提出了一种简单易行的功率变换器单管开路故障在线诊断方法，根据360°电角度内的6个工作状态，通过检测直流母线电流实现逆变器的单管开路故障诊断。在此基础上，为了进一步提高故障诊断的可靠性，同时实现包含单管开路与短路的故障诊断，建立逆变器电路的故障模型，提出了一种基于电压估计的Buck变换器加三相全桥逆变器单管开路及短路故障在线诊断方法，避免了通过电流检测进行故障诊断可能引起的误诊断，实现了单管开路及短路故障的在线快速诊断，提高了故障诊断的准确性。
4、针对目前的磁悬浮CMG高速电机驱动系统功率逆变器不具备故障冗余能力的问题，提出了一种具备功率管冗余与故障保护功能的BLDCM逆变器容错拓扑结构，为逆变器故障后系统的持续运行提供保障。进一步在逆变器功率管故障诊断的基础上，针对故障后逆变器拓扑状态切换过程可能引发二次故障的问题，分别分析了不同故障发生后拓扑结构切换时可能存在的过压及过流现象，提出了一种软切换故障隔离与系统重构容错方法，减小了故障后拓扑结构切换过程中可能发生的二次故障对驱动电路及电机本体的影响，提高了故障后拓扑结构切换的可靠性和安全性。