技术领域
[0001] 本
发明涉及一种CMG(控制
力矩陀螺)框架永磁同步电机的高性能控制系统及控制方法，具体涉及一种CMG框架永磁同步电机转速
精度和带宽的控制系统及控制方法，适用于包括控制力矩陀螺框架系统在内的各类基于永磁同步电机的高性能伺服系统。
背景技术
[0002] 控制力矩陀螺(CMG)是
航天器的惯性执行部件之一，主要应用于大型航天器的
姿态控制以及中小型航天器的快速机动，具有广阔的发展前景。随着航天技术的发展，新的卫星平台对控制力矩陀螺框架的控制精度、控制稳定度及控制带宽等性能提出了极高的要求。作为新型高精度卫星平台的关键技术
瓶颈，控制力矩陀螺框架的高性能控制方法的研究具有重要意义，需求迫切。
[0003] 控制力矩陀螺框架转速的控制性能直接影响着控制力矩陀螺整机的输出力矩性能，是控制力矩陀螺最关键的指标之一。框架伺服系统在工作过程中，受到的扰动力矩成分复杂，扰动幅度大，包括陀螺力矩、
转子静
不平衡、摩擦等因素引入的低频干扰力矩和由高速转子不平衡引入的高频扰动力矩，要求控制
算法具有较强的扰动抑制能力。尤其是高速转子产生的高频扰动，其
频率远大于
控制器带宽，还需要对转子高频扰动设计专
门的补偿算法。另外，框架伺服系统在力学、热等条件变化时，系统参数会发生变化，还要求控制算法具有较强的参数适应性。高性能的控制方法是提高框架伺服系统转速控制性能的主要手段。已有方法提高了框架伺服系统的性能，但是对参数变化的适应性及对扰动力矩
波动的抑制效果还有待提高，对高频扰动力矩波动的抑制能力则明显不足。因此，需要对控制力矩陀螺框架伺服系统控制方法开展深入研究，以满足控制力矩陀螺的性能要求。
发明内容
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服
现有技术的不足，提供一种CMG框架永磁同步电机的控制系统及控制方法，该控制方法包括滑模控制与转子
磁场定向矢量控制相结合的转速闭环控制方法、高速转子扰振自适应前馈补偿方法以及
位置、转速前馈三部分内容。将滑模控制与转子磁场定向矢量控制方法相结合可提高系统对陀螺力矩、转子静不平衡等因素引入的非线性低频干扰力矩的抑制能力，提升框架转速控制性能和系统的鲁棒性；加入高速转子扰振的自适应前馈补偿可有效抑制高频扰动力矩，提高框架控制精度。加入位置、转速前馈设计可进一步提高框架控制带宽。
[0005] 本发明的技术解决方案是：
[0006] 一种CMG框架永磁同步电机的控制系统，该控制系统包括全桥驱动
电路模
块、
电流采集模块、三相/两相坐标变换模块、两相旋转坐标变换模块、第一差分模块、励磁电流比例积分调节模块、两相旋转坐标反变换模块、空间矢量
脉宽调制生成模块、转速计算模块、第二差分模块、位置环比例微分调节模块、速度前馈模块、第三差分模块、转速环滑模控
制模块、位置前馈模块、高速转子扰振自适应前馈补偿模块、累加模块、永磁同步电机及测
角模块；
[0007] 测角模块测量得到永磁同步电机的实际机械角度θm和电角度θe，并将实际机械角度θm输出给第二差分模块和转速计算模块，将电角度θe输出给两相旋转坐标变换模块和两相旋转坐标反变换模块；
[0008] 电流采集模块采集永磁同步电机的A相电流iA和B相电流iB后，电流采集模块将电流iA和iB输出给三相/两相坐标变换模块，三相/两相坐标变换模块将接收到的电流iA和iB进行三相/两相坐标变换后输出两相静止
坐标系(α-β坐标系)下的电流iα和iβ给两相旋转坐标变换模块，两相旋转坐标变换模块同时接收由测角模块输出的永磁同步电机电角度θe；两相旋转坐标变换模块对接收到的电流iα和iβ以及电角度θe进行两相旋转坐标变换后输出d-q坐标系下的励磁电流id给第一差分模块，第一差分模块同时接收到电流设定值 且d-q坐标系下的励磁电流id和 在第一差分模块中进行差分(即 )后将差分结果(即励磁电流偏差)输出给励磁电流比例积分调节模块，励磁电流比例积分调节模块对接收到的差分结果进行比例积分调节后输出d轴
电压控制
信号 给两相旋转坐标反变换模块；
[0009] 第二差分模块接收由测角模块测量得到的永磁同步电机的实际机械角度θm以及永磁同步电机的设定机械角度值 并对实际机械角度θm和设定机械角度值 进行差分，得到位置偏差值 并输出给位置环比例微分调节模块和位置前馈模块，位置环比例微分调节模块对接收到的位置偏差值 进行比例微分调节后输出转速环转速设定信号 给第三差分模块；
[0010] 转速计算模块根据测角模块测量得到的永磁同步电机的实际机械角度θm计算得到永磁同步电机实际转速ωm并输出给第三差分模块；
[0011] 第三差分模块对接收到的转速环转速设定信号 和永磁同步电机实际转速ωm进行差分，得到转速偏差值 第三差分模块将转速偏差值 分别输出给转速环滑模
控制模块、速度前馈模块和高速转子扰振自适应前馈补偿模块；
[0012] 转速环滑模控制模块对接收到的转速偏差值 进行滑模控制运算得到电机q轴电压
控制信号uq1，然后输出给累加模块；
[0013] 高速转子扰振自适应前馈补偿模块对接收到的转速偏差值 进行自适应前馈补偿运算得到电机q轴电压控制信号uq2，然后输出给累加模块；
[0014] 位置前馈模块对接收到的位置偏差值 进行比例运算得到电机q轴电压控制信号uq3，然后输出给累加模块；
[0015] 速度前馈模块对接收到的转速偏差值 进行比例运算得到电机q轴电压控制信号uq4，然后输出给累加模块；
[0016] 累加模块对接收到的电机q轴电压控制信号uq1、uq2、uq3、uq4进行累加计算后输出电机q轴控制电压 给两相旋转坐标反变换模块；
[0017] 两相旋转坐标反变换模块对接收到的电角度θe、d轴电压控制信号 和电机q轴控制电压 进行两相旋转坐标反变换后输出α-β坐标系下的控制电压 和 给空间矢量脉宽调制生成模块，空间矢量脉宽调制生成模块对接收到的α-β坐标系下的控制电压 和 进行空间矢量脉宽调制信号生成后输出调制信号SVPWM给全桥驱动电路模块，全桥驱动电路模块根据接收到的调制信号SVPWM对永磁同步电机进行控制。
[0018] 一种CMG框架永磁同步电机的控制方法，包括滑模控制与转子磁场定向矢量控制相结合的转速闭环控制方法、高速转子扰振自适应前馈补偿方法，以及位置、转速前馈三部分内容。
[0019] 所述转速闭环控制方法，包括电机d轴控制方法和电机q轴控制方法；
[0020] 所述的电机d轴控制方法，步骤如下：
[0021] (1.1)三相/两相坐标变换模块根据永磁同步电机电流iA和iB计算出两相静止坐标系α-β下的电流iα和iβ，再根据电机电角度θe计算出两相旋转坐标系d-q下的励磁电流id；
[0022] (1.2)将励磁电流设定值 与步骤(1.1)计算得到的励磁电流id进行差分，得到励磁电流偏差，励磁电流控制器中的比例积分调节器根据励磁电流偏差计算出电机d轴电压控制信号 为0；
[0023] 所述的电机q轴控制方法，步骤如下：
[0024] (2.1)根据设定转速ωset计算出永磁同步电机的设定机械角度值 并将计算出的设定机械角度值 与测角模块测量得到的永磁同步电机的实际机械角度θm进行差分，得到位置偏差，位置环比例微分调节模块根据位置偏差计算出转速环的转速设定信号[0025] (2.2)使用角
加速度干扰观测方法得到电机实际转速ωm和扰动力矩Tf；
[0026]
角加速度干扰观测方法的具体步骤为：卡尔曼
滤波器对角位置
传感器输出的永磁同步电机的实际位置信息进行滤波处理得到永磁同步电机的转速信号ωm，转速信号ωm经过非线性微分器处理后得到永磁同步电机的角加速度α，扰动观测器根据永磁同步电机的角加速度α和力矩电流iq并利用公式Tf＝ke·iq-J·α计算出永磁同步电机的扰动力矩Tf；
[0027] 其中，Ke为电机力矩系数，J为电机
转动惯量；
[0028] (2.3)转速环滑模控制模块根据步骤(2.1)位置环比例微分调节模块输出的转速设定信号 以及步骤(2.2)得到的转速信号ωm和扰动力矩Tf，计算出电机q轴电压控制信号uq1，电机q轴电压控制信号uq1的计算步骤为：
[0029] (a)计算变量x1、x2，
[0030] (b)根据变量x1、x2得到滑模控制器的切换平面s，
[0031] (c)利用变量x1、x2和滑模控制器的切换平面s计算出驱动电路的电机q轴电压控制信号uq1：
[0032]
[0033] 其中，kv为电机反电势系数，J为电机转子转动惯量，r为电机两相
电阻，ke为电机力矩系数，q是正的奇数，p是正的奇数，且p
0，δ为滑模控制切换系数，δ>0，sign(s)为s的符号函数。[0034] 所述的自适应前馈补偿方法，步骤包括：
[0035] (3.1)根据负梯度自适应律，计算自适应参数ai(k)和bi(k)，
[0036] ai(k)＝ai(k-1)+αie(k)cos(2πfhikTs+ξ)
[0037] bi(k)＝bi(k-1)+αie(k)sin(2πfhikTs+ξ)
[0038] 其中，αi为自适应增益，i＝1,2,3,...m，m为自然数；比如i＝1时α1为基频自适应增益，当i＝2时α2为2倍频自适应增益；k＝1,2,3,...n，n为自然数；k＝1时，ai(0)＝0，bi(0)＝0；e(k)为转速偏差，fhi表示转子基频及倍频，比如i＝1时，fh1表示转子基频，i＝2时，fh2表示转子2倍频，Ts为
采样周期，ξ为
相位超前系数；
[0039] (3.2)计算自适应前馈补偿控制电压uq2，uq2(k)为uq2的离散化表示，离散周期为Ts即采样周期，即
[0040]
[0041] 其中，ai(k)和bi(k)为自适应参数,αi为自适应增益，βi为前馈系数，e(k)为转速偏差，ξ、αi和βi为自适应前馈控制中的三个重要参数，ξ决定系统的相角裕度，αi决定收敛速度，βi影响瞬态响应。
[0042] 所述的位置、转速前馈方法，步骤包括：
[0043] (4.1)位置前馈模块对步骤(2.1)得到的位置偏差进行比例运算，生成电机q轴电压控制信号uq3；
[0044] (4.2)速度前馈模块对转速偏差e(k)进行比例运算，生成电机q轴电压控制信号uq4，其中转速偏差e(k)为位置环比例微分调节模块输出的转速设定信号 与转速信号ωm的差值；
[0045] 通过以上三部分内容的运算，得到电机q轴电压控制信号 为：
[0046] v*q＝uq1+uq2+uq3+uq4。
[0047] 电机d轴电压控制信号 和电机q轴电压控制信号 经两相旋转坐标反变换得到和 根据得到的 和 通过SVPWM(空间矢量脉宽调制)生成方法即可产生用于控制永磁同步电机的SVPWM信号，保证CMG(控制力矩陀螺)框架永磁同步电机的高性能控制。
[0048] 本发明与现有技术相比的优点：
[0049] (1)本发明的方法将滑模控制与转子磁场定向矢量控制方法相结合可提高系统对陀螺力矩、转子静不平衡等因素引入的非线性低频干扰力矩的抑制能力，提升框架转速控制性能和系统的鲁棒性；
[0050] (2)本发明的方法通过加入高速转子扰振的自适应前馈补偿可有效抑制高频扰动力矩，提高框架控制精度，ξ、αi和βi为自适应前馈控制中的三个重要参数，ξ决定系统的相角裕度，αi决定收敛速度，βi影响瞬态响应；
[0051] (3)本发明的方法通过加入位置、转速前馈设计可进一步提高框架控制带宽；
[0052] (4)本发明的方法对陀螺力矩等因素引入的非线性低频干扰力矩及转子不平衡振动引入的高频扰动力矩均具有很强的抑制能力，可有效提高控制力矩陀螺框架控制性能。
附图说明
[0053] 图1为本发明的系统组成示意图；
具体实施方式
[0055] 下面结合附图和具体
实施例对本发明做进一步说明。
[0056] 一种CMG框架永磁同步电机的控制系统，该控制系统包括全桥驱动电路模块、电流采集模块、三相/两相坐标变换模块、两相旋转坐标变换模块、第一差分模块、励磁电流比例积分调节模块、两相旋转坐标反变换模块、空间矢量脉宽调制生成模块、转速计算模块、第二差分模块、位置环比例微分调节模块、速度前馈模块、第三差分模块、转速环滑模控制模块、位置前馈模块、高速转子扰振自适应前馈补偿模块、累加模块、永磁同步电机及测角模块；
[0057] 测角模块测量得到永磁同步电机的实际机械角度θm和电角度θe，并将实际机械角度θm输出给第二差分模块和转速计算模块，将电角度θe输出给两相旋转坐标变换模块和两相旋转坐标反变换模块；
[0058] 电流采集模块采集永磁同步电机的A相电流iA和B相电流iB后，电流采集模块将电流iA和iB输出给三相/两相坐标变换模块，三相/两相坐标变换模块将接收到的电流iA和iB进行三相/两相坐标变换后输出两相静止坐标系(α-β坐标系)下的电流iα和iβ给两相旋转坐标变换模块，两相旋转坐标变换模块同时接收由测角模块输出的永磁同步电机电角度θe；两相旋转坐标变换模块对接收到的电流iα和iβ以及电角度θe进行两相旋转坐标变换后输出d-q坐标系下的励磁电流id给第一差分模块，第一差分模块同时接收到电流设定值 且d-q坐标系下的励磁电流id和 在第一差分模块中进行差分(即 )后将差分结果(即励磁电流偏差)输出给励磁电流比例积分调节模块，励磁电流比例积分调节模块对接收到的差分结果进行比例积分调节后输出d轴电压控制信号 给两相旋转坐标反变换模块；
[0059] 第二差分模块接收由测角模块测量得到的永磁同步电机的实际机械角度θm以及永磁同步电机的设定机械角度值 并对实际机械角度θm和设定机械角度值 进行差分，得到位置偏差值 并输出给位置环比例微分调节模块和位置前馈模块，位置环比例微分调节模块对接收到的位置偏差值 进行比例微分调节后输出转速环转速设定信号 给第三差分模块；
[0060] 转速计算模块根据测角模块测量得到的永磁同步电机的实际机械角度θm计算得到永磁同步电机实际转速ωm并输出给第三差分模块；
[0061] 第三差分模块对接收到的转速环转速设定信号 和永磁同步电机实际转速ωm进行差分，得到转速偏差值 第三差分模块将转速偏差值 分别输出给转速环滑模控制模块、速度前馈模块和高速转子扰振自适应前馈补偿模块；
[0062] 转速环滑模控制模块对接收到的转速偏差值 进行滑模控制运算得到电机q轴电压控制信号uq1，然后输出给累加模块；
[0063] 高速转子扰振自适应前馈补偿模块对接收到的转速偏差值 进行自适应前馈补偿运算得到电机q轴电压控制信号uq2，然后输出给累加模块；
[0064] 位置前馈模块对接收到的位置偏差值 进行比例运算得到电机q轴电压控制信号uq3，然后输出给累加模块；
[0065] 速度前馈模块对接收到的转速偏差值 进行比例运算得到电机q轴电压控制信号uq4，然后输出给累加模块；
[0066] 累加模块对接收到的电机q轴电压控制信号uq1、uq2、uq3、uq4进行累加计算后输出电机q轴控制电压 给两相旋转坐标反变换模块；
[0067] 两相旋转坐标反变换模块对接收到的电角度θe、d轴电压控制信号 和电机q轴控制电压 进行两相旋转坐标反变换后输出α-β坐标系下的控制电压 和 给空间矢量脉宽调制生成模块，空间矢量脉宽调制生成模块对接收到的α-β坐标系下的控制电压 和 进行空间矢量脉宽调制信号生成后输出调制信号SVPWM给全桥驱动电路模块，全桥驱动电路模块根据接收到的调制信号SVPWM对永磁同步电机进行控制。
[0068] 一种CMG框架永磁同步电机的控制方法，包括滑模控制与转子磁场定向矢量控制相结合的转速闭环控制方法、高速转子扰振自适应前馈补偿方法，以及位置、转速前馈三部分内容。
[0069] 所述转速闭环控制方法，包括电机d轴控制方法和电机q轴控制方法；
[0070] 所述的电机d轴控制方法，步骤如下：
[0071] (1.1)三相/两相坐标变换模块根据永磁同步电机电流iA和iB计算出两相静止坐标系α-β下的电流iα和iβ，再根据电机电角度θe计算出两相旋转坐标系d-q下的励磁电流id；
[0072] (1.2)将励磁电流设定值 与步骤(1.1)计算得到的励磁电流id进行差分，得到励磁电流偏差，励磁电流控制器中的比例积分调节器根据励磁电流偏差计算出电机d轴电压控制信号 为0；
[0073] 励磁电流控制器的传递函数为：
[0074] Gi(s)＝kp_i+ki_i/s＝1+0.001/s
[0075] 所述的电机q轴控制方法，步骤如下：
[0076] (2.1)根据设定转速ωset计算出永磁同步电机的设定机械角度值 并将计算出的设定机械角度值 与测角模块测量得到的永磁同步电机的实际机械角度θm进行差分，得到位置偏差，位置环比例微分调节模块根据位置偏差计算出转速环的转速设定信号[0077] (2.2)使用角加速度干扰观测方法得到电机实际转速ωm和扰动力矩Tf；
[0078] 角加速度干扰观测方法的具体步骤为：卡尔曼滤波器对角
位置传感器输出的永磁同步电机的实际位置信息进行滤波处理得到永磁同步电机的转速信号ωm，转速信号ωm经过非线性微分器处理后得到永磁同步电机的角加速度α，扰动观测器根据永磁同步电机的角加速度α和力矩电流iq并利用公式Tf＝ke·iq-J·α计算出永磁同步电机的扰动力矩Tf；
[0079] 其中，Ke为电机力矩系数，J为电机转动惯量；
[0080] (2.3)转速环滑模控制模块根据步骤(2.1)位置环比例微分调节模块输出的转速设定信号 以及步骤(2.2)得到的转速信号ωm和扰动力矩Tf，计算出电机q轴电压控制信号uq1，电机q轴电压控制信号uq1的计算步骤为：
[0081] (a)计算变量x1、x2，
[0082] (b)根据变量x1、x2得到滑模控制器的切换平面s，
[0083] (c)利用变量x1、x2和滑模控制器的切换平面s计算出驱动电路的电机q轴电压控制信号uq1：
[0084]
[0085] 其中，ωm为转速信号，J为电机转动惯量(取1kgm2)，Tf为扰动力矩，ke为电机力矩系数(取2Nm/A)，r为电机两相电阻(r＝3.0Ω)，kv为电机反电势系数(取2V/rpm)，c为切换平面的调节系数(c＝1.0)，p是正的奇数(p＝1)，q是正的奇数(q＝1)，且p0(k＝0.8)，δ>0(δ＝1.0)，sign(s)为s的符号函数。
[0086] 所述的自适应前馈补偿方法，步骤包括：
[0087] (3.1)根据负梯度自适应律，计算自适应参数ai(k)和bi(k)，
[0088] ai(k)＝ai(k-1)+αie(k)cos(2πfhikTs+ξ)
[0089] bi(k)＝bi(k-1)+αie(k)sin(2πfhikTs+ξ)
[0090] 其中，Ts为采用周期(Ts＝100μs)，ξ为相位超前系数(ξ＝π/6)，fhi表示转子基频及倍频，i取1-3。i＝1时fh1表示转子基频，当i＝2时fh2表示转子2倍频，当i＝3时fh2表示转子3倍频，e(k)为转速偏差；αi为自适应增益，i为倍频数，i取1-3；i＝1时α1为基频自适应增益，当i＝2时α2为2倍频自适应增益；当i＝3时α3为3倍频自适应增益；k＝1,2，3，…n，n为自然数；k＝1时，ai(0)＝0，bi(0)＝0，e(0)＝0；
[0091] (3.2)计算自适应前馈补偿控制电压uq2，uq2(k)为uq2的离散化表示，离散周期为Ts即采样周期，即
[0092]
[0093] 其中，ai(k)和bi(k)为自适应参数,αi为自适应增益(αi＝3),βi为前馈系数(βi＝0.5),e(k)为转速偏差，ξ,αi和βi为自适应前馈控制中的三个重要参数,ξ决定系统的相角裕度,αi决定收敛速度,βi影响瞬态响应；
[0094] 所述的位置、转速前馈方法，步骤包括：
[0095] (4.1)位置前馈模块对步骤(2.1)得到的位置偏差进行比例运算，生成电机q轴电压控制信号uq3；比例系数取0.05。
[0096] (4.2)速度前馈模块对转速偏差e(k)进行比例运算，生成电机q轴电压控制信号uq4，其中转速偏差e(k)为位置环比例微分调节模块输出的转速设定信号 与转速信号ωm的差值；比例系数取0.08。
[0097] 通过以上三部分内容的运算，得到电机q轴电压控制信号 为：
[0098] v*q＝uq1+uq2+uq3+uq4。
[0099] 电机d轴电压控制信号 和电机q轴电压控制信号 经两相旋转坐标反变换得到和 根据得到的 和 通过SVPWM(空间矢量脉宽调制)生成方法即可产生用于控制永磁同步电机的SVPWM信号，保证CMG(控制力矩陀螺)框架永磁同步电机的高性能控制。
[0100] 本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
