專利名稱：：基于n個(gè)霍爾傳感器的磁懸浮飛輪電機(jī)的低速高精度控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種基于n個(gè)霍爾傳感器的磁懸浮飛輪永磁無刷直流電機(jī)高精度控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)新一代衛(wèi)星的高精度、高穩(wěn)定度姿態(tài)控制，特別適合于磁懸浮反作用飛輪的姿態(tài)控制。
背景技術(shù)：
：新一代衛(wèi)星的高精度、高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術(shù)是需要重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。磁懸浮反作用飛輪作為新一代衛(wèi)星平臺(tái)的高精度、高穩(wěn)定度姿態(tài)控制系統(tǒng)的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有角動(dòng)量輸出精度高、控制線性度好，抗干擾能力強(qiáng)和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在國際上已逐步得到應(yīng)用，并且將成為我國新一代高精度、高穩(wěn)定度衛(wèi)星平臺(tái)的首選執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)高精度的姿態(tài)控制，要求永磁無刷直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有很高的低速精度，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)采用3個(gè)霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè)，由于一轉(zhuǎn)只產(chǎn)生3個(gè)霍爾信號(hào)，在低速下其檢測(cè)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所要的精度要求。為了提高控制系統(tǒng)的精度，有的采用光電碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行測(cè)速，雖然光電碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器低速時(shí)測(cè)速精度很高，但光電碼盤進(jìn)行磁懸浮控制時(shí)，徑向、軸向調(diào)整比較大，密封時(shí)容易受油污染，價(jià)格比較貴且不容易安裝；而旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在軸承上，磁懸浮反作用飛輪電機(jī)所用的軸承為磁懸浮軸承，存在較大的徑向和軸向跳動(dòng)，而且體積也比較大，所以旋轉(zhuǎn)變壓器也很難應(yīng)用在磁懸浮反作用飛輪上。2006年郝敬然發(fā)表于《航天控制》雜志上的《基于開關(guān)式Hdl傳感器的飛輪低速控制》所述的方法采用9個(gè)霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)速，相對(duì)于采用3個(gè)霍爾傳感器，此方法一個(gè)周期內(nèi)能產(chǎn)生更多的霍爾信號(hào)并3倍頻成1路霍爾信號(hào)，且采用DSP對(duì)產(chǎn)生的霍爾偏差進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償，所以在一定程度上能提高低速的精度。但此方法沒有考慮對(duì)磁極的安裝偏差進(jìn)行補(bǔ)償，所以精度提高不是很明顯。此方法標(biāo)定補(bǔ)償時(shí)用DSP進(jìn)行計(jì)數(shù)，因DSP的時(shí)鐘頻率比較低而且數(shù)據(jù)線只有16位，所以計(jì)數(shù)誤差比較大。因采用外部電路3倍頻方法，外圍倍頻電路的延時(shí)性比較大，倍頻后的霍爾信號(hào)與實(shí)際的霍爾信號(hào)存在一定的偏差，而且外圍電路復(fù)雜。此方法只能對(duì)當(dāng)前使用的電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償后將偏差存入DSP的數(shù)據(jù)區(qū)，不能實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)電機(jī)的通用性不好，并且霍爾效應(yīng)位置傳感器的個(gè)數(shù)還是比較少，所以精度提高也不是很明顯。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)對(duì)磁懸浮反作用飛輪電機(jī)低速精度低的不足，提供一種用于磁懸浮反作用飛輪的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的低速高精度控制系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案基于n個(gè)霍爾傳感器的磁懸浮飛輪電機(jī)的低速高精度控制系統(tǒng)，包括作為控制的FPGA模塊、位置檢測(cè)、三相橋式功率放大器和驅(qū)動(dòng)電路、具有n個(gè)霍爾傳感器的三相永磁無刷直流電機(jī)、AD轉(zhuǎn)換模塊、降壓斬波器、能耗單元、繞組電流的檢測(cè)單元、斬波電壓的檢測(cè)單元、直流穩(wěn)恒電源；n個(gè)霍爾傳感器檢測(cè)輸出n路霍爾信號(hào)后，經(jīng)過濾波、整流、電平轉(zhuǎn)換后送入FPGA模塊中，對(duì)n路霍爾信號(hào)進(jìn)行異或逸算生成1路信號(hào)，利用標(biāo)定方法以及補(bǔ)償方法對(duì)此信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，得到精確的轉(zhuǎn)速反饋；電機(jī)的繞組電流的檢測(cè)單元輸出的電流和斬波電壓的檢測(cè)單元輸出的電壓經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換后送入FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊經(jīng)運(yùn)算和控制后生成8路PWM信號(hào)，其中PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6通過三相橋式功率放大器和驅(qū)動(dòng)電路用于具有n個(gè)霍爾傳感器的三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的換相，PWM7用于降壓斬波器的控制，PWM8用于能耗單元的控制，直流穩(wěn)恒電源提供工作所需要的穩(wěn)恒電壓。所述的具有n個(gè)霍爾傳感器的三相永磁無刷直流電機(jī)采用無齒槽無鐵芯的空心杯形繞組定子結(jié)構(gòu)，在電機(jī)定子一對(duì)磁極所對(duì)應(yīng)的一側(cè)沿電角度^均勻放置n個(gè)霍爾傳感器，粘貼于電機(jī)定子上，并分別與定子三相繞組首端所在槽中心線對(duì)齊，其中n取3的倍數(shù)且為奇數(shù)。所述的具有n個(gè)霍爾傳感器的三相永磁無刷直流電機(jī)(5)的速度檢測(cè)公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>,式中t為n個(gè)霍爾傳感器所產(chǎn)生的n路霍爾信號(hào)txnxmx60進(jìn)行異或運(yùn)算后產(chǎn)生的l路霍爾信號(hào)相鄰兩個(gè)沿的時(shí)間差，n為霍爾傳感器的個(gè)數(shù)，m為磁極的對(duì)數(shù)。所述的標(biāo)定方法為①對(duì)磁極的安裝偏差所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行標(biāo)定，其安裝誤差為!lx《—M廣，式中x,為任意1個(gè)霍爾傳感器產(chǎn)生第Z個(gè)霍爾信號(hào)周期時(shí)4000wFPGA的計(jì)數(shù)值，m為磁極的對(duì)數(shù)，i=1、2、3、4、5、6、7、m;②對(duì)霍爾傳感器的安裝偏差引起的誤差進(jìn)行標(biāo)定，其安裝角度誤差為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>—竺j。，式中乂為異或運(yùn)算后得到的l路信號(hào)在第/次跳變FPGA的4000計(jì)數(shù)值，f=1、2、3、4、5、6、7、n，n為霍爾傳感器的個(gè)數(shù)。所述的補(bǔ)償方法為線性補(bǔ)償，補(bǔ)償公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中n為霍爾傳感器的個(gè)數(shù)，m為磁極的對(duì)數(shù)，力為電機(jī)在穩(wěn)速條件下第一個(gè)霍爾傳感器經(jīng)過第/個(gè)磁極所產(chǎn)生的計(jì)數(shù)值，《為進(jìn)行異或運(yùn)算后第/個(gè)霍爾信號(hào)脈沖所產(chǎn)生的計(jì)數(shù)值，巧為前一時(shí)刻的轉(zhuǎn)速值，/=1、2、3、4、5、6、7、m;/=1、2、3、4、5......附x"x2;將補(bǔ)償公式存入FPGA模塊(7)中，根據(jù)當(dāng)前的測(cè)速值進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，得到精確的轉(zhuǎn)速反饋。所述的FPGA模塊的運(yùn)算和控制過程為對(duì)經(jīng)過濾波、整流、電平轉(zhuǎn)換后的n個(gè)霍爾傳感器檢測(cè)輸出進(jìn)行異或運(yùn)算生成1路信號(hào)，對(duì)由磁極和霍爾傳感器的偏差所產(chǎn)生的霍爾信號(hào)誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫骄さ霓D(zhuǎn)速反饋信號(hào)，并與速度參考信號(hào)扭減生成速度控制量，經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流、電壓參考量,其電流參考量與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)形成PWM7占空比的控制量，通過改變PWM7的占空比來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；對(duì)經(jīng)過濾波、整流、電平轉(zhuǎn)換后的n個(gè)霍爾傳感器檢測(cè)輸出的1路，1+2,l+蘭路信號(hào)送入FPGA經(jīng)33過邏輯組合生成PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6驅(qū)動(dòng)逆變橋進(jìn)行換相；其電壓參考量與降壓斬波器反饋量的偏差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量PWM8，用于降壓斬波器的控制。本發(fā)明的原理是(1)磁懸浮反作用飛輪用三相永磁無刷直流電才幾采用兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)雙閉環(huán)控制的工作方式。由
背景技術(shù)：
可知提高永磁無刷直流電機(jī)低速控制精度的關(guān)鍵是提高低速的檢測(cè)精度，永磁無刷直流電機(jī)的速度檢測(cè)方法為~~l~~Wmin。式中t為n路霍爾信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算后產(chǎn)生的l路霍txnxmx60爾信號(hào)相鄰兩個(gè)沿的時(shí)間差，n為霍爾傳感器的個(gè)數(shù)，m為磁極的對(duì)數(shù)。由上式可知它的速度檢測(cè)精度與霍爾傳感器的個(gè)數(shù)成正比，從而控制精度也與霍爾傳感器的個(gè)數(shù)成正比，所以提高霍爾傳感器的個(gè)數(shù)可以提高低速的控制精度。電機(jī)采用無齒槽無鐵芯的空心杯形繞組定子結(jié)構(gòu)，在電機(jī)定子一對(duì)磁360°極所對(duì)應(yīng)的一側(cè)沿電角度7均勻放置n個(gè)霍爾傳感器，粘貼于電機(jī)定子上，360°相差；廠電角度放置，并分別與定子三相繞組首端所在槽中心線對(duì)齊，其中n取3的倍數(shù)且為奇數(shù)個(gè)。由于磁極和霍爾傳感器的安裝偏差，不同的器件響應(yīng)的靈敏度不同，使得電機(jī)在低速測(cè)速時(shí)達(dá)不到很高的精度，所以需要補(bǔ)償由磁極和霍爾傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)的偏差以達(dá)到理想安裝所產(chǎn)生的信號(hào)，從而提高低速的測(cè)速精度。(2)首先計(jì)算磁極安裝的偏差設(shè)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為m對(duì)，如圖l所示。首先用絕對(duì)位置傳感器(根據(jù)專利<一種磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子位置鑒別裝置>專利號(hào)為)找到電機(jī)的絕對(duì)位置，并規(guī)定所在的磁極為磁極1，然后用鎖相環(huán)技術(shù)讓電機(jī)穩(wěn)定在5000Wmin下，穩(wěn)定精度為1(T5，測(cè)霍爾傳感器l產(chǎn)生m個(gè)連續(xù)霍爾信號(hào)的周期，則m個(gè)連續(xù)的周期轉(zhuǎn)過的機(jī)械角度為360°。如圖2所示，根據(jù)穩(wěn)速下等時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的電角度相等原理，用公式-,-(!=1……m),式中T為霍爾傳感器l產(chǎn)生m個(gè)連續(xù)霍爾信號(hào)周期的總的時(shí)間，/,.為霍爾傳感器經(jīng)過第/個(gè)磁極所用的時(shí)間。即可得到磁極的安裝角度A。將霍爾傳感器1所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)濾波、整形、電平轉(zhuǎn)換后接至FPGA，從霍爾傳感器1經(jīng)過磁極1時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，每產(chǎn)生一個(gè)上升沿計(jì)數(shù)器保存此次的計(jì)數(shù)值并重新開始計(jì)數(shù)，連續(xù)計(jì)數(shù)m次即轉(zhuǎn)過一個(gè)機(jī)械的360°，可得到m個(gè)計(jì)數(shù)值，設(shè)得到的計(jì)數(shù)值為^(/=1、2、3、4、5、6、7……m),因所選用的FPGA的工作時(shí)鐘頻率是40M,則計(jì)數(shù)值為x,時(shí)轉(zhuǎn)過的角度為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>，即可得到磁極的安裝誤差為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(3)計(jì)算霍爾傳感器的安裝誤差若磁極已經(jīng)補(bǔ)償過且達(dá)到理想狀態(tài),繼續(xù)讓電機(jī)穩(wěn)定在5000Wmin下，穩(wěn)定精度為10-5，采用n個(gè)霍爾傳感器時(shí)，在360°的電角度內(nèi)，令H1上升沿時(shí)電角度為0°,則下降沿時(shí)為180。，則n個(gè)霍爾信號(hào)上升沿、下降沿時(shí)電角度依次是表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>上表可以看出在理想狀態(tài)下，霍爾信號(hào)1上升沿超前霍爾信號(hào)//+3下降沿匿，霍爾信號(hào)2上升沿超前霍爾信號(hào)//。+5下降沿^，霍爾信號(hào)3上升沿超前霍爾信號(hào)//+7下降沿1......可利用上面求實(shí)際霍爾傳感器的電角度丁"差原理求出霍爾信號(hào)異或后的電角度差(如圖2所示)，然后進(jìn)行補(bǔ)償以提高精度。計(jì)算實(shí)際的電角度差時(shí)，用數(shù)字電路時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)算以提高精度。n路霍爾信號(hào)處理后送入FPGA進(jìn)行異或，得到l路霍爾信號(hào)，如圖4所示，然后檢測(cè)到巧的上升沿時(shí)用計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，每有一次電平跳變就保存此次的計(jì)數(shù)值并重新開始計(jì)數(shù)，共可得到wx打x2個(gè)計(jì)數(shù)值，設(shè)計(jì)數(shù)值為凡.(/-1、2、3、4、5、6、7、8、9……mx"x2)，因FPGA的時(shí)鐘頻率是40M,則計(jì)數(shù)值為凡.所用的時(shí)間為~^^,穩(wěn)速轉(zhuǎn)速為5000r/min，則計(jì)數(shù)值為少,40x10時(shí)所轉(zhuǎn)過的角度為^^x，x360-^i。，即為安裝的角度40x10660400040002w誤差。(4)補(bǔ)償方法計(jì)算出實(shí)際的電角度差后，進(jìn)行補(bǔ)償以提高精度。所用補(bǔ)償方法為線性補(bǔ)償。因n個(gè)霍爾信號(hào)異或后產(chǎn)生l路霍爾信號(hào)，所用的速度的公式為一個(gè)霍爾脈沖轉(zhuǎn)過的角度/所用時(shí)間，即為異或后一個(gè)霍爾信號(hào)周期內(nèi)的平均速度，所以可以用線性補(bǔ)償。在實(shí)際求轉(zhuǎn)速時(shí)所用的角度為機(jī)械角度，假設(shè)經(jīng)過磁極1時(shí)產(chǎn)生的霍爾信號(hào)1上升沿超前霍爾信號(hào)//+3下降沿電角度為乂。，因理想狀態(tài)下電角度應(yīng)超前為巨，所以霍爾安裝的電角度誤差為(翌-A)。，又因磁極的偏差，由上可知磁極1與磁極2的實(shí)3際安裝角度為4000"1，故對(duì)于轉(zhuǎn)過同一磁極下產(chǎn)生的霍爾信號(hào)的實(shí)際電角度誤差為(工xx,x!-^°,設(shè)前一時(shí)刻轉(zhuǎn)速為巧，則轉(zhuǎn)過400012x""(1x^工-乂)。所用的時(shí)間為(^x;c,x^L—y1)x_^，因FPGA的時(shí)40002x"1400012xw1巧x360鐘頻率是40M，則轉(zhuǎn)過(1xx、x!-W°時(shí)所用的計(jì)數(shù)值為40002x"，m2x10'x(-x;c'x--_y,)(l^xA-^x-^^OxK^-40002x"與轉(zhuǎn)速成正比。對(duì)40002xw1jx360于轉(zhuǎn)過不同磁極下產(chǎn)生的霍爾信號(hào)，還是以霍爾傳感器l轉(zhuǎn)過磁極1時(shí)為例霍爾傳感器1轉(zhuǎn)過磁極1時(shí)產(chǎn)生上升沿，則n個(gè)霍爾傳感器產(chǎn)生的霍爾信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算后與霍爾信號(hào)1上升沿相鄰的下降沿F^的下降沿，且W^轉(zhuǎn)過的磁極為m。此時(shí)由磁極1產(chǎn)生的一個(gè)周期霍爾信號(hào)1的誤差為3XXiX_￡_，由磁極m產(chǎn)生的一個(gè)周期霍爾信號(hào)//+3的誤差為40002xw3mx:cx_i!L，則轉(zhuǎn)過1。由磁極1和磁極m共同產(chǎn)生的誤差為4000"'2xwW(")x^]x翌，則轉(zhuǎn)過[麗^—"x^、翌時(shí)所用的計(jì)數(shù)值為360"360w{Wx("Jx^jxM}x_^__x40xl06。其他可以此類推。列表存入1360w1巧x360FPGA的數(shù)據(jù)區(qū)，在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，以查表的方式得到相鄰霍爾信號(hào)的位置誤差，可用,前一次的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值來補(bǔ)償這一次的誤差，在程序中計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)是加上<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(進(jìn)行異或運(yùn)算后的前mxn個(gè))或<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(進(jìn)行異或運(yùn)算后的后WXW個(gè)),360w巧x360式中；=1、2、3、4、5、6、7、m;_/=1、2、3、4、5......wx"x2。即可得到精確的轉(zhuǎn)速反饋，與給定轉(zhuǎn)速相減得到轉(zhuǎn)速偏差，經(jīng)FPGA調(diào)節(jié)后產(chǎn)生8路PWM控制信號(hào)，從而可以實(shí)現(xiàn)低速高精度控制(圖6所示)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明釆用n(n—般為3的倍數(shù)且為奇數(shù))個(gè)霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)速，對(duì)由磁極和霍爾傳感器的安裝偏差所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，且采用一種新的標(biāo)定、補(bǔ)償方法并且標(biāo)定、補(bǔ)償全部在FPGA中用軟件實(shí)現(xiàn)，外圍電路少，可移植性好。得出標(biāo)定補(bǔ)償公式存入FPGA數(shù)據(jù)區(qū)，可適用于任意個(gè)磁極和任意個(gè)霍爾傳感器的各種電機(jī)，具有通用性。由于所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算后比具有三個(gè)霍爾傳感器的電機(jī)產(chǎn)生更多個(gè)脈沖(如圖3),在低速下脈沖個(gè)數(shù)的增多可以得到更多的速度信息，經(jīng)過標(biāo)定補(bǔ)償后可以提供更準(zhǔn)確的速度反饋，從而可以進(jìn)行低速高精度控制。圖1為本發(fā)明的電機(jī)定子示意圖(以9路霍爾為例，9個(gè)霍爾傳感器安裝在1—9個(gè)槽中)；圖2為本發(fā)明的1路霍爾傳感器產(chǎn)生的霍爾信號(hào)示意圖3為本發(fā)明的相鄰2路霍爾信號(hào)示意圖4為本發(fā)明的n路霍爾傳感器產(chǎn)生的霍爾信號(hào)示意圖5為本發(fā)明的n路霍爾傳感器的安裝圖6為本發(fā)明的原理圖7為本發(fā)明的高速永磁無刷直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)的FPGA控制流程圖8為本發(fā)明的高速永磁無刷直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)原理框圖。具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明所使用的霍爾傳感器為9個(gè)，三相永磁無刷直流電機(jī)采用8對(duì)極、無齒槽無鐵芯的空心杯形繞組定子結(jié)構(gòu)，易于安裝9個(gè)霍爾傳感器。如圖5所示，在電機(jī)定子一對(duì)磁極所對(duì)應(yīng)的一側(cè)沿電角度40°均勻放置n個(gè)霍爾傳感器，.粘貼于電機(jī)定子上，并分別與定子三相繞組首端所在槽中心線對(duì)齊，則產(chǎn)生的霍爾信號(hào)1與霍爾信號(hào)2相差40°電角度，如圖3所示。如圖6所示，本發(fā)明的控制系統(tǒng)由作為控制的FPGA模塊7、位置檢測(cè)6、三相橋式功率放大器和驅(qū)動(dòng)電路4、具有n個(gè)霍爾傳感器的三相永磁無刷直流電機(jī)5、AD轉(zhuǎn)換模塊10、降壓斬波器2、能耗單元3、繞組電流的檢測(cè)單元8、斬波電壓的檢測(cè)單元9、直流穩(wěn)恒電源；n個(gè)霍爾傳感器檢測(cè)輸出n路霍爾信號(hào)后，經(jīng)過濾波、整流、電平轉(zhuǎn)換后送入FPGA模塊7中，電機(jī)的繞組電流的檢測(cè)單元8輸出的電流和斬波電壓的檢測(cè)單元9輸出的電壓經(jīng)A/D模塊10轉(zhuǎn)換后送入FPGA7，F(xiàn)PGA7經(jīng)運(yùn)算和控制后生成8路PWM信號(hào)，其中PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6通過三相橋式功率放大器和驅(qū)動(dòng)電路4用于具有n個(gè)霍爾傳感器的三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)5的換相，PWM7用于降壓斬波器2的控制，PWM8用于能耗制動(dòng)單元3的控制，直流穩(wěn)恒電源1提供工作所需要的穩(wěn)恒電壓。如圖7所示，9個(gè)霍爾傳感器檢測(cè)輸出的9路霍爾信號(hào)經(jīng)過濾波、整流、電平轉(zhuǎn)換后送入FPGA異或并進(jìn)行補(bǔ)償后通過FPGA為核心的控制器產(chǎn)生轉(zhuǎn)速反饋；給定轉(zhuǎn)速與速度反饋形成偏差，經(jīng)調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流、電壓參考量，其電流參考量與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，用于電機(jī)的調(diào)速控制；其電壓參考量與降壓斬波器反饋量的偏差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量PWM7,用予降壓斬波器的控制，并用PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6進(jìn)行換相。在低速下，精確的測(cè)速裝置是制約控制精度的瓶頸，所以提高低速的測(cè)速裝置是本發(fā)明的關(guān)鍵所在。如圖5所示，本發(fā)明通過在電機(jī)定子上均勻安裝9個(gè)霍爾傳感器并通過檢測(cè)其所產(chǎn)生的霍爾信號(hào)，將其補(bǔ)償后得到轉(zhuǎn)速反饋，并利用FPGA為核心的控制器實(shí)現(xiàn)磁懸浮反作用飛輪用永磁無刷直流電機(jī)的低速高精度控制。(1)計(jì)算磁極的安裝誤差如圖2所示，m=8,令轉(zhuǎn)過機(jī)械角度360°時(shí)一個(gè)霍爾傳感器產(chǎn)生的霍爾信號(hào)為8個(gè)。由原理(2)可計(jì)算出永磁無刷直流電機(jī)采用8對(duì)極得到磁極的安裝誤差為ilxx,-，1。式中x,為第i40008個(gè)磁極，/=1、2、3、4、5、6、7、8;。(2)計(jì)算霍爾傳感器的安裝誤差圖4為9路信號(hào)異或?yàn)閘路信號(hào)的示意圖，由原理(3)可得9個(gè)霍爾信號(hào)上升沿、下降沿時(shí)電角度依次是表2<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>由上表可以看出在理想狀態(tài)下，霍爾信號(hào)l上升沿超前霍爾信號(hào)6下降沿20。，霍爾信號(hào)2上升沿超前霍爾信號(hào)7下降沿20。，霍爾信號(hào)3上升沿超前霍爾信號(hào)8下降沿20°......如臥3'所示，設(shè)轉(zhuǎn)過機(jī)械甫度360。時(shí)所用的時(shí)間為tl,霍爾信號(hào)1上升沿超前霍爾信號(hào)2上升沿的時(shí)間為t2。由原理(3)得公式可得安裝的角度誤差為|^-20|°。4000(3)補(bǔ)償方法由原理(4)可知8對(duì)極，9個(gè)霍爾傳感器的永磁無刷直流電機(jī)的補(bǔ)償公式為(進(jìn)行異或運(yùn)算后的前72個(gè))或f_xfx—X")X_1{4000'w2x"x翌}x_^_x40xl06(進(jìn)行異或運(yùn)算后的后72個(gè))360wJWjx360列表存入FPGA的數(shù)據(jù)區(qū)，在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，以查表的方式得到相鄰霍爾信號(hào)的位置誤差，可用前一次的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值來補(bǔ)償這一次的誤差，在程73附2x10x(-xxx--乂)序中計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)加上-^——^~~(進(jìn)行異或運(yùn)算后的前72個(gè))或/麗x("'-1)X^]XM}x_il_x40xl06(進(jìn)行異或運(yùn)算后的后72360n"60x360個(gè))，式中/-1、2、3、4、5、6、7、8;_/-1、2、3、4、5……144。即可得到精確的轉(zhuǎn)速反饋，與給定轉(zhuǎn)速相減得到轉(zhuǎn)速偏差，經(jīng)FPGA調(diào)節(jié)后產(chǎn)生8路PWM控制信號(hào)，從而可以實(shí)現(xiàn)低速高精度控制(圖6所示)。如圖7所示，本發(fā)明的FPGA模塊7的控制過程為9個(gè)霍爾傳感器檢測(cè)輸出的9路霍爾信號(hào)經(jīng)過濾波、整流、電平轉(zhuǎn)換后送入FPGA異或并進(jìn)行補(bǔ)償后通過FPGA為核心的控制器產(chǎn)生轉(zhuǎn)速反饋；給定轉(zhuǎn)速與速度反饋形成偏差，經(jīng)調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流、電壓參考量，其電流參考量與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，用于電機(jī)的調(diào)速控制；其電壓參考量與降壓斬波器反饋量的偏差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量PWM7,用于降壓斬波器的控制，并用霍爾信號(hào)1、2、3、4、5、6進(jìn)行換相。權(quán)利要求1、基于n個(gè)霍爾傳感器的磁懸浮飛輪電機(jī)的低速高精度控制系統(tǒng)，其特征在于包括作為控制的FPGA模塊(7)、位置檢測(cè)(6)、三相橋式功率放大器和驅(qū)動(dòng)電路(4)、具有n個(gè)霍爾傳感器的三相永磁無刷直流電機(jī)(5)、AD轉(zhuǎn)換模塊(10)、降壓斬波器(2)、能耗單元(3)、繞組電流的檢測(cè)單元(8)、斬波電壓的檢測(cè)單元(9)、直流穩(wěn)恒電源(1)；n個(gè)霍爾傳感器檢測(cè)輸出n路霍爾信號(hào)后，經(jīng)過濾波、整流、電平轉(zhuǎn)換后送入FPGA模塊(7)中，對(duì)n路霍爾信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算生成1路信號(hào)，利用標(biāo)定方法以及補(bǔ)償方法對(duì)此信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償，得到精確的轉(zhuǎn)速反饋；電機(jī)的繞組電流的檢測(cè)單元(8)輸出的電流和斬波電壓的檢測(cè)單元(9)輸出的電壓經(jīng)A/D模塊(10)轉(zhuǎn)換后送入FPGA模塊(7)，F(xiàn)PGA模塊(7)經(jīng)運(yùn)算和控制后生成8路PWM信號(hào)，其中PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6通過三相橋式功率放大器和驅(qū)動(dòng)電路(4)用于具有n個(gè)霍爾傳感器的三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)(5)的換相，PWM模塊7用于降壓斬波器(2)的控制，PWM8用于能耗單元(3)的控制，直流穩(wěn)恒電源(1)提供工作所需要的穩(wěn)恒電壓。2、根據(jù)權(quán)利要求1所迷的基于n個(gè)霍爾傳感器的磁懸浮飛輪電機(jī)的低速高精度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的具有n個(gè)霍爾傳感器的三相永磁無刷直流電機(jī)(5)采用無齒槽無鐵芯的空心杯形繞組定子結(jié)構(gòu)，在電機(jī)定子一對(duì)磁極所對(duì)應(yīng)的一側(cè)沿電角度！均勻放置n個(gè)霍爾傳感器，粘貼于電機(jī)定子上，并分別與定子三相繞組首端所在槽中心線對(duì)齊，其中n取3的倍數(shù)且為奇數(shù)。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于n個(gè)霍爾傳感器的磁懸浮飛輪電機(jī)的低速高精度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的具有n個(gè)霍爾傳感器的三相永磁無刷直流電機(jī)(5)的速度檢測(cè)公式為——L^_r/min，式中t為n個(gè)霍爾txnxmx60傳感器所產(chǎn)生的n路霍爾信號(hào)進(jìn)行異或運(yùn)算后產(chǎn)生的1路霍爾信號(hào)相鄰兩個(gè)沿的時(shí)間差，n為霍爾傳感器的個(gè)數(shù)，m為磁極的對(duì)數(shù)。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于n個(gè)霍爾傳感器的磁懸浮飛輪電機(jī)的低速高精度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的標(biāo)定方法為①對(duì)磁極的安裝偏差所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行標(biāo)定，其安裝誤差為'3>^-^|°，式中x,為任意1個(gè)霍爾傳感器產(chǎn)生第/個(gè)霍爾信號(hào)周期時(shí)4000附FPGA的計(jì)數(shù)值，ra為石茲極的對(duì)數(shù)，/=1、2、3、4、5、6、7、m;②對(duì)霍爾傳感器的安裝偏差引起的誤差進(jìn)行標(biāo)定，其安裝角度誤差為il^—翌廣，式中x為異或運(yùn)算后得到的l路信號(hào)在第z'次跳變FPGA的4000計(jì)數(shù)值，！'=1、2、3、4、5、6、7、n，n為霍爾傳感器的個(gè)數(shù)。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于n個(gè)霍爾傳感器的磁懸浮飛輪電機(jī)的低速高精度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的補(bǔ)償方法為線性補(bǔ)償，補(bǔ)償公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中n為霍爾傳感器的個(gè)數(shù)，m為磁極的對(duì)數(shù)，^為電機(jī)在穩(wěn)速條件下第一個(gè)霍爾傳感器經(jīng)過第/個(gè)磁極所產(chǎn)生的計(jì)數(shù)值，^為進(jìn)行異或運(yùn)算后第!個(gè)霍爾信號(hào)脈沖所產(chǎn)生的計(jì)數(shù)值，巧為前一時(shí)刻的轉(zhuǎn)速值，7=1、2、3、4、5、6、7、m;i=1、2、3、4、5wx"x2;將補(bǔ)償公式存入FPGA模塊(7)中，根據(jù)當(dāng)前的測(cè)速值進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，得到精確的轉(zhuǎn)速反饋。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于n個(gè)霍爾傳感器的磁懸浮飛輪電機(jī)的低速高精度控制系統(tǒng)，其特征在于所述的FPGA模塊(7)的運(yùn)算和控制過程為對(duì)經(jīng)過濾波、整流、電平轉(zhuǎn)換后的n個(gè)霍爾傳感器檢測(cè)輸出進(jìn)行異或運(yùn)算生成1路信號(hào)，對(duì)由磁極和霍爾傳感器(5)的偏差所產(chǎn)生的霍爾信號(hào)誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫?精確的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，并與速度參考信號(hào)相減生成速度控制量，經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流、電壓參考量，其電流參考量與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)形成PWM7占空比的控制量，通過改變PWM7的占空比來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；對(duì)經(jīng)過濾波、整流、電平轉(zhuǎn)換后的n個(gè)霍爾傳感器檢測(cè)輸出的1路，1+n/3,l+2n/3路信號(hào)送入FPGA經(jīng)過邏輯組合生成PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6驅(qū)動(dòng)逆變橋進(jìn)行換相；其電壓參考量與降壓斬波器(2)反饋量的偏差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量PWM8，用于降壓斬波器(2)的控制。全文摘要一種基于n個(gè)霍爾傳感器的磁懸浮飛輪電機(jī)的低速高精度控制系統(tǒng)，用于新一代高穩(wěn)定度衛(wèi)星的高精度姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)—磁懸浮反作用飛輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，它主要由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)為核心的控制器、霍爾傳感器、三相橋式功率放大器、功率放大器的驅(qū)動(dòng)電路、三相永磁無刷直流電機(jī)、降壓斬波器、能耗單元、繞組電流的檢測(cè)單元、斬波電壓的檢測(cè)單元、直流穩(wěn)恒電源組成。通過在電機(jī)定子的一側(cè)均勻安裝n個(gè)霍爾傳感器并檢測(cè)其所產(chǎn)生的霍爾信號(hào)，將其補(bǔ)償后得到精確的轉(zhuǎn)速反饋，并利用FPGA為核心的控制器實(shí)現(xiàn)了磁懸浮反作用飛輪用永磁無刷直流電機(jī)的低速高精度控制。文檔編號(hào)H02P6/00GK101188393SQ20071017930公開日2008年5月28日申請(qǐng)日期2007年12月12日優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日發(fā)明者剛劉,周新秀,房建成,娜朱,王志強(qiáng)申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)