新型磁悬浮陀螺飞轮驱动电机与磁轴承控制系统设计

发布时间：2020-08-29 07:26

　　传统机械飞轮由于定转子之间存在接触,有摩擦力大、功耗高、寿命短和噪声大缺点。磁悬浮飞轮克服了传统机械飞轮缺点,还具有主动振动控制和振动抑制的优势。磁悬浮框架飞轮通过偏转磁轴承迫使高速转子偏转,改变转子转速方向,输出瞬间大力矩,驱动航天器平台快速机动。新型磁悬浮陀螺飞轮同时具备框架飞轮的大控制力矩输出和姿态敏感功能,即能利用偏转磁轴承迫使高速转子进动,输出大力矩,也可通过偏转磁轴承补偿干扰力矩,敏感航天器姿态。新型磁悬浮陀螺飞轮的驱动电机和磁轴承的控制系统是其高精度力矩输出和姿态敏感的保障,控制器的优劣将直接影响到新型磁悬浮陀螺飞轮的运行状态。本文以新型磁悬浮陀螺飞轮为研究对象,对新型磁悬浮陀螺飞轮的驱动电机和磁轴承控制系统进行了设计,从以下四个方面进行了深入研究。(1)介绍了新型磁悬浮陀螺飞轮的总体结构,新型磁悬浮陀螺飞轮的结构对于搭建的控制系统性能好坏有很大的影响。磁轴承和驱动电机作为被控对象,对其进行了详细的介绍,说明了其工作原理,建立了控制模型,为其高精度驱动做了铺垫。(2)针对新型磁悬浮陀螺飞轮高精度转速控制的要求,对飞轮电机进行了分析,得到了转速误差的两个主要来源:一是电机本体结构,二是电机换相。重点对本体结构导致的误差进行了分析,提出了基于磁场测量的磁钢修正方案,设计了基于霍尔原理的磁场均匀性测量装置。最后,在搭建的装置上进行了磁场测量实验,实验证明:该装置能够对磁场均匀性进行测量,对电机磁钢装配具有很好的参考作用,提高驱动电机转速精度。(3)针对高速驱动电机调速范围广、精度要求高的特点,提出了基于模糊自适应PI控制器的转速调节算法。以新型磁悬浮陀螺飞轮驱动电机为对象,设计了一套以DSP为控制核心的电机驱动器,完成了驱动器的原理图设计和PCB布线。最后,编写了电机转速控制代码,并在设计的驱动器上实现了速度调节,通过对采集的霍尔信号和反电动势的波形进行分析,结果表明,该驱动器和算法可较好的实现电机转速控制。(4)磁轴承控制系统是一个多通道、高集成的控制系统,但由于单独的DSP因为资源有限不能满足该控制需求。因此,根据实际需求,设计了一种基于DSP+FPGA构型的集成化、低功耗的磁轴承数字控制系统,并完成了原理图设计和PCB布线。磁轴承控制系统整体架构是由控制芯片读取转子位移传感器的位置信号,获取转子的位置,输出数字量,控制D/A芯片输出控制电压,经过线性功放放大后完成位置闭环。其中,FPGA负责整体时序控制,驱动A/D和D/A芯片,DSP完成磁轴承控制的位置闭环算法。最后,完成了磁轴承控制系统的搭建,并对其进行了实验验证。
【学位单位】：北京石油化工学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH133.7
【部分图文】：

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图 1-3 ISAS 磁悬浮动量轮AS magnetic suspension mome始，美国在空军和 NASA，主要应用方向为卫星平磁悬浮姿控/储能飞轮如图应用方向为空间站的姿态 90 年代进行了基于球形的控制与储能[28]。美国的 Go反作用飞轮的研制，计间观测任务[29-31]。

【参考文献】