多源扰动下无位置传感器磁悬浮飞轮高精度输出力矩控制方法研究

Reliability, longevity, and power consumption are choke points that influence the application of the actuator. Assuming that if the sensorless motor driving technique, magnetic bearing, and coreless stator are combined in the actuator, the above problems can be solved. However, it is difficult to obtain the precise torque for the sensorlesss magnetically suspended flywheel (MSFW) for its peculiarities, such as sensorless, coreless stator, runout rotor, low rotor saliency. This project reveals the effecting rule that the inverter nonlinear, motor end effects, and stator resistance uncertainties imposes on the high frequency motor model and the stability of the position tracking, and aims at address the problem of rotor position detection for sensorless surface permanent magnet (SPM) machines at zero and low speed. Upon this, the function between the motor parameters and rotor center displacement will be established for the first time. After that, novel motor driving system will be designed and the corresponding mathematic model will be established under multi-source disturbance environment. And then, small inductance motor torque ripple suppression method will be put forward for alleviating the phenomenon of serious modulation ripple and discontinuous armature current in coreless motor. And, variable-frequency harmonic disturbance suppression method will be proposed to reduce the influence of motor rotor runout. Finally, proposed methods will be validated through the simulation and experiments. Research work can provide the theory basis for promoting the development of actuator control technology.

惯性执行机构的可靠性、寿命与功耗是制约航天器姿控系统的瓶颈。将无传感器驱动技术、磁悬浮支撑技术与无铁芯电机设计相融合可以突破这一瓶颈，然而如何实现其高精度力矩控制成为制约姿控系统性能的关键。本项目以无铁芯无位置传感器磁悬浮飞轮为研究对象，针对其电机无位置传感器、定子无铁芯、转子低凸极、存在跳动等特点，首次揭示变换器非线性、电机端部效应等因素对高频电机模型与位置跟踪稳定性的影响机理，解决低凸极电机低速转子位置无法检测的难题，实现无位置传感器电机可靠起动；继而设计新型小电感电机驱动系统，建立多源扰动下飞轮四象限运行精确数学模型，提出无铁芯电机电磁力矩脉动与多源扰动力矩抑制方法，实现飞轮四象限无脉动力矩输出；然后分析电机本体参数随转子中心位置变化的函数关系，提出频率幅值时变的谐波扰动抑制新方法，为磁悬浮电机研究提供理论依据，最终实现无铁芯无传感器磁悬浮惯性执行机构的高精度输出力矩控制。

惯性执行机构是航天器姿控系统的核心部件，其可靠性、寿命与功耗是制约航天器姿控系统的瓶颈，本项目通过研究无位置传感器磁悬浮飞轮电机的高精度力矩控制方法，完成了提高飞轮电机可靠性与性能的新机理和新途径探索。.飞轮电机具有低凸极性，可靠起动是其面临的难题。本项目研究了低凸极无位置传感器电机起动过程中预定位电流、激励时间与转子瞬时转速之间的关系，得到低凸极无位置传感器电机可靠起动的条件；并设计了基于线电压差的反电势过零点检测电路，将自同步阶段的切换转速降低到传统方法的50%，实现了低凸极电机的可靠起动。 .为避免开环升速过程中飞轮控制性能的下降，本项目从全新的物理角度出发，在传统无位置控制方法的基础上，提出了一种优化绕组磁链的改进型G函数转子位置估计方法，并通过改进检测方法与滤波方法将电机转速反馈频率提高6倍，反馈精度提高3倍。.为了克服电机换相点偏移导致飞轮效率降低的问题，本项目分析了电机端电压波形随换相点偏移的变化规律，提出了一种基于反电动势谐波分析的换相点偏移快速修正方法，其收敛速度较传统PI方法提高了两个量级。进而推导了换相点偏移相位与二极管续流、电机平均电磁力矩之间的解析关系，为指导无位置传感器电机控制系统设计提供了理论依据。.针对无铁芯飞轮电机四象限运行力矩脉动过大问题，本项目根据奇异值摄动理论，并结合滑模变结构思想，设计滑模复合控制器，提高了能耗制动力矩的跟踪性能和鲁棒性能。通过改进调制方法与电流采样方法降低了反接制动力矩脉动，经测试飞轮正负力矩不对称度小于3%。.针对磁悬浮飞轮转子跳动导致电机气隙磁场畸变与转速波动的问题，本项目分析了不同类型电机存在转子动态偏心时，电机关键参数的变化规律，得到了对转子跳动鲁棒性最强的电机结构；分析了转子径向跳动对转速检测精度的影响，提出了基于转速修正与基于陷波器的同频谐波扰动抑制方法，有效地抑制磁悬浮飞轮系统的扰动。