● 摘要
控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope)是航天器姿态控制的重要执行机构。相比机械控制力矩陀螺，磁悬浮控制力矩陀螺(Magnetic Suspended Control Moment Gyroscope)具有高精度、长寿命的优点。但由于航天器供电有限，磁悬浮控制力矩陀螺的功耗必须严格控制，而在整机功耗中，高速无刷直流电机的功耗占有很大比重。因此对高速无刷直流电机的低功耗控制很大程度上决定了磁悬浮控制力矩陀螺的航天应用。本课题结合国家民用航天科研专项重点项目，针对MSCMG高速直流无刷电机低功耗、快响应控制技术，主要进行了以下几个方面的研究：（1）为了实现低功耗控制，应用了降压斩波(Buck)模块调制、三相六状态逆变器换相的控制方式，消除了MSCMG小电枢电感高速无刷直流电机绕组电流中PWM纹波；分析了Buck模块的功耗组成并采用Buck型ZVT-PWM变换器进行改进，通过计算详细分析和对比了传统Buck变换器和Buck型ZVT-PWM变换器的各部分损耗；进行了仿真和实验，其结果表明运用ZVT-PWM变换器后Buck模块效率得到提高。（2）为了适应磁悬浮控制力矩陀螺的航天应用高可靠性要求，以一片FPGA(Altera EPFFLEX10K30)同时作为控制器和运算器构建高速电机控制系统，通过硬件描述语言构建运算器负责控制律和构建各控制模块实现对外围器件的控制。周围外设电路加入了可靠性设计，所用器件都依据航天目录选择。运用此控制系统进行实验及测试，其结果表明该方案可行，并具有良好的控制性能。（3）分析了永磁无刷直流电机的模型，提出了一种自抗扰——锁相环双模控制方法，通过电流转速双环自抗扰控制器和自抗扰锁相环控制器两种模式之间的切换来实现无刷直流电机转子转速的快响应、低超调和高精度控制。仿真结果验证了该方法性能优良，具有快速收敛性和高稳速精度，能够满足磁悬浮控制力矩陀螺对高速永磁无刷直流电机的控制需求。