● 摘要
随着国内民用航天发展，对姿态控制执行机构从快、稳、准等各方面也提出更高的要求。综合考虑体积、重量、功耗和输出转矩大小等各项技术指标，采用高速电机驱动的磁悬浮飞轮作为姿态控制系统的执行机构是国家新一代高精度、长寿命航天器的主要发展方向。本文结合国防预研项目，以永磁无刷直流电机为主要研究对象，提出一种基于Cuk变换器的电机控制系统，进行相关理论分析，搭建系统平台并进行实验验证，主要包括几下方面：1. 为扩展电机调速范围，提出一种基于Cuk变换器的电机控制系统。通过在输入电源与三相半桥间加Cuk变换器，根据转速对电源电压进行升降压变换以驱动电机。仿真及实验结果证明该方法的可行性和稳定性，有效降低导通区转矩脉动，实现大力矩电机全转速范围内最大加速力矩输出，不增加总体功耗。2. 为改善系统动态响应，对电感电流进行采样，设计电感电流PID控制器，采用平均电流控制。通过加入输入电流反馈，改善系统动态响应，提高系统抗干扰性。仿真及实验结果表明，所设计的控制器在单位阶跃给定下具有小于1s的无超调响应。3. 由于磁轴承的磁偏拉力切向分量引起力矩扰动的不确定性和动量轮电机系统非线性，传统反馈控制器的设计方法只考虑系统的稳定性和跟踪性，而忽略了能量的相关性和变换器或闭环系统的物理特性。为解决这一问题，完成系统整体建模，建立磁悬浮反作用飞轮电机的哈密顿模型，对系统进行无源性分析，为实现全转速范围内稳定控制奠定了理论基础。4. 为满足可靠性要求，实现磁悬浮动量轮电机控制程序工程化，根据航天VHDL硬件描述语言规范标准，设计磁轴承控制系统与电机控制系统SPI通讯，电机控制系统与上位机CAN总线通讯，基于FPGA的高可靠性电机控制程序，包括主程序、PWM调制、A/D采样、换相及电动/制动等多个逻辑时序模块。优化电机控制程序，减少资源占用量，消除全部警告，完全满足工程化需求并通过大量工程化测试实验证明其稳定可靠。