永磁同步电动机在控制力矩陀螺中的应用

三个重复星形图 ， 因此可以通过特殊设计将 多出的一个元 件 均匀布置在三个 循环 里 ， 绕组展开图如图 ４所示 。
相
图 １ 结构 简 图
电动机的结构 紧凑 ， 与普 通 的无 刷 电动 机相 比可 以看 出， 采用高精度旋转变压器作为位置传感器代替传统的霍尔 元器件 ， 因此具有可靠性高 、 控制精度高等优点 。
纵观 国内外卫星的发展 ， 卫星控制 系统通常采用 的执行 机构 是控制力矩陀螺 ， 的转矩输 出精度直接决定 了卫星 的姿态 它
图 ２ 系 统 驱 动控 制 原 理 框 图
２主要 研 究 内容及 特点
２ １低脉动永磁同步电动机极槽 配合设计及仿真 ． 针对此 系统 的低速高稳速精度等要求 ， 设计 的电动 机采
ｎｔ ｓ Ｊ ． ａｔ Ａ ｐｉ ｔ ｎ ｎ ｅｉ ｓ ＩＥ ｒｎａｔ ｎ ｅｃ ［ ］ Ｐ ｒ Ｃ： ｐｌ ａｏｓａｄ Ｒ ｖ ｗ 。Ｅ Ｅ Ｔａｓｃｏｓ ｉ ｃｉ ｅ ｉ
Ｏ ，０ ２ ３ （ ）９ — １． ｉ ２０ ，２ ２ ：９ １２ ｌ
［ ］ 韩顺杰 ， ３ 李慧 ， 王玉华 ， 开关磁阻 电机滑模变结构控制器 的 等． 设计［］吉林工学院学报（ Ｊ． 自然科学版）２０ ， （ ）４ －２ ，０１２ １ ：９ ５． ２
图７为锁相方式的稳速控制 器结构 图， 它包括 ： 鉴相 器 （ Ｄ） 环路滤波器 （ Ｆ 、 Ｐ 、 Ｌ ） 由控 制算 法与驱 动电路加 永磁 同
（ 上接 第 ５ ７页 ） 间从 约 ０ ０ ５Ｓ ．７ 增加 到约 ０ １ ， ．５Ｓ稳态 时最大 的稳 态
Ｆ ｅ ｂ ｃ ｉ ｅ ｒｚ ｔ ｎ Ｃ ｎｒ ｌｅ ｏ ｗｉ ｈ ｄ Ｒｅ ｕ ｔ ｎ ｅ Ｍｏｏ ｅ ｄ ａ ｋ Ｌ ｎ ａ ｉａｉ ｏ ｔｏｌ ｒｆ ｒ Ｓ ｔ ｅ ｌ ｃａ ｃ ｔｒ ｏ ｃ
转 时， 转变 压器输 出两路正余 弦信号 ， 过系统解 调后 可 旋 通 以得 出定转子之问的角度差 值 ， 以此确定 电机 的运行 位置 ，
图 ４ 绕组展开图
并通过检测旋转 变压 器 的运行 频率 确定 电机 的运 行转 速。
控 制 单 元 接 收这 些 指 令 后 控 制 驱 动 单 元 的开 关 元 器 件 工 作 ，
定子 部分 为带 有 绕 组 的定 子 铁 心 ， 子 部 分 由 转 子 铁 心 转
相
和永磁体组成 ， 转子采用径 向磁路结构。
１２工 作 原 理 ．
该 系统 的位置传感器采用高精度 的双通道旋转变压 器 ，
其转 子 与 电机 同轴 安 装 ， 子 固定 于 电机 定 子 上 。 当 电 机 旋 定
的运 行场合 ， 以分数槽绕组永 磁同步 电动机作为 驱动元件 ， 采用独特 的绕组极槽 配合设计技术使 电动机的齿槽转矩 明 显 降低 ， 提高 系统稳定运行精度 ； 同时解决该控 制方式下 电
动机 的中空盘式结构设 计， 永磁 同步电动机体积更加 紧凑 ，
电动机的整体重量降低 ； 采用锁相技术保证系统 在低速运行 情况下保持高稳速精度 。研制 的永 磁同步 电动机及 控制器
全对称 的 三相 绕组 。这 种 不对 称表现在 两方 面 ： ） １ 幅值 不 等 ；
２ 三相 间 空 间 夹 角 不 是 严 格 的 ） １０ 电 角 度 。 由 于 整 个 绕 组 有 ２。
：
￣３ ７ ０ ２ １ ６
０
体的结构简 图如 图 １ 所示。
图 ３ 绕组星形 电势图
步电动机以及 位置检测器件组成 的压 控振荡器 （ ｃ ） ｖ ｏ 三部
分 。其工作原理如下 ： 鉴相器将参考信号与反馈信号 的相位
进行 比较 ， 产生与相位误差相对应 的电压信号 ｕ ， ｄ输送给环
路滤波器 ； 环路滤波器 的作用是滤除 ‰ 中的高频成分， 改善
环路性能 ， 并将滤波后的电压信号 输送 给压控振荡 器； 驱
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永 磁 同 步 电 动 机 在 控 制 力 矩 陀 螺 中 的应 用
Ｏ引 言
我国空间技术 的发 展 ， 求卫 星具备 的功能越 来越 多 ， 要
同 时 对卫 星指 向精 度 和 姿 态 稳 定 度 也 提 出 了越 来 越 高 的 要
求。因此研制高精度 、 高稳定度 的卫 星是 当前 空间技 术的一
个 重要 发 展 方 向 。卫 星 控 制 系 统 是 卫 星 的 一 个 关 键 分 系 统 ，
的 槽 矩 真 形 图所 ， 势形 图所 。 齿 转 仿 波 如 ５示反 波如 ６示 电 一
读 声
… 一 己一 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …
触持电棚 …０ 年 ７ 一 １ ：期 １ ＝： ，． － 一 ～： … ２ ． 第． … 。 … …
是 ３的 倍 数 ， 因此 不 可 能 构 成 完
９ ２ ２：
ｌ基本 结构 和原 理
１１中 空 盘 式结 构 的永 磁 同步 电动 机 基 本 结 构 ．
应控制力矩陀螺整 机的要求 ， 为充 分利 用空 间、 小体 减
积 ， 用中空盘式的结构设计 方案 ， 采 电机 为 分 装 式 结 构 。 具
ｔ ／ ｍｓ ｅｅ ／）
动器采用相应 的控制算法接受 ｕ 指令并使电机输 出转速向 参考转速接近 ， 直至 消除偏差而锁定 。
图５ 电动机齿槽力矩仿真图
图６ 电动机反电势仿真波形
由 图 ５可 以看 出 ， 电机 齿 槽 转 矩 只 有 ０ ０ ３５ Ｎ ・ 说 ． １ ｍ， 明磁 路 设 计 和 极槽 配 合 是 有 效 的 。 从 图 ６可 以看 出 ， 电机 的 反 电 势 波 形 正 弦 性 较 好 ， 系 对 统进 行 正 弦 电 流控 制 非 常 有 利 。
［ ／ ＩＥ ｏ ｅ ｌｃｏ ｉ ｐｃａｓ ｏｆ１９ ， １０ — Ｃ］／Ｅ Ｅ Ｐｗ ｒＥｅｔ ｎｃ Ｓ ｅｉｉｓＣｎ．９ ６ ２：８４ ｒ ｓ ｌｔ
１ １ ８ ０．
误差为 １． ／ ｎ ６ ６ｒｍｉ。此结果 说 明调 速 系统在 电机结
［ ］ Ｓ ｉ Ｃ ｅｋＡ Ｄ Ｐ ｒｒ ａｃ ｏ ｐｒ ｏ ｆｆｓ ｏ ｏ ｔｌ ２ ｈ ｈｏ ． ｅ ｏｍ ｎｅｃｍ ａｉ ｎｏ ｅ ｓｆｃｎｒ／ Ｃ， ｆ ｓ ｕｄ ｔ ｏ
盛文 杰 ， 菊峰 ， 余 王建 宽 ， 琪 ， 东宁 陈世 张
（ 国 电 子科 技 集 团公 司第 二 十 一 研 究 所 ， 海 ２ ０ ３ ） 中 上 ０ ２ ３
中图 分 类 号 ： Ｍ３ １ Ｔ ５
文献 标 识 码 ： Ｅ
动素统… … … … … … … …
文章编号 ：０４ ７ １ （０ １ ｏ 一 ０ ５ ０ １０ — ０ ８ ２ ｌ ） ７ ｏ ７ — ２
同 时通 过 与 Ｍａｗ ｌ２ 软 件 相 结 合 进 行 有 限元 优 化 仿 ｘ ｅ Ｄ ｌ
真设计 ， 在保证输 出转矩 的条件下 ， 降低 电动机 的齿槽力矩 ，
使 电动 机 运 行 平 稳 ， 系统 的高 精 度 运 行 影 响 最 小 。 电 动 机 对
使电机相电流的矢量合成 与电机 的磁极正交 ， 以实现电机 的 矢量控制。驱动控制 的原理框 图如 图 ２所示 。
转矩 ， 保证电机在低速运行时的稳定性。
２ ２高精 度 调 速 的 锁 相控 制 技 术 ．
及驱 动器 ， 并将该电机及驱 动器与控制力矩陀螺低速伺服框
架联调进行 了测试 。系统中 电动机额定转 速为 ０ ０ 。ｓ输 ． １／ 、
入 电压 为 ２ Ｄ ）调 速 范 围为 ０ ０ 。ｓ ５ ／ 。经过 反 复 ８Ｖ（ Ｃ 、 ． １／ 一 。 ｓ
本文研制的永磁同步 电动机及驱 动主要 应用 于控制力 矩陀螺系统的低 速伺 服分 系统 ， 为该 分 系统 的主 要驱 动元 件 。为了保证该 系统的高精度控制 ， 电机结构与电磁设计 在
ห้องสมุดไป่ตู้
转矩对 系统高精度运行时 的影 响 ， 电动机采用 了 ３ 该 ９槽 １ ２ 极分数槽绕组 结构 形式 ， 对样 机的 特殊结 构形 式我 们将 针 ３ ９槽按星形 电势 图进行划分 ， 保证 电机 的三相绕组 的平衡。 在这里所述 的情况 （ ３ 、 ＝６ ｍ＝ ） 有 ３个绕组 星形循 ｚ＝ ９ Ｐ 、 ３ ，
３应 用 结果
本文 以锁相环技术作为系统速度控制的核心， 设计 了基 于 ＳＰ Ｖ ＷＭ 的交流永磁 同步 电动机变频 调速控制 的电动机
该电动机设计体现了体积紧凑 、 精度高和可靠性高 的特 点 。针对其负载是控制力矩陀螺低速框架 ， 为了实现高控制 精度的要求 ， 采用特殊形 式的分数槽绕组 ， 降低 电机的齿槽
ｔｓ ／ ｔｓ ／
［ ］ Ｈ ａｇＳＪＨｕｎ ，ｈｏ ． ｅｅｏｍ ｎ ａｄａｐｉ ｔｎｏ ４ ｕ ， ａｇＫ ｓＣ ｉ ＫＣ Ｄ ｖｌ ｅｔ ｎ ｌａｉ ｎ ｕ ｐ ｐ ｃ ｏ ｆ ａｎｖｌｒｄａ ｂｓ ｕ ｃｏ ｌｉｇｍｏｅｅｎｒＵｒ Ｊ ． ｃａ ｏｅ ａｉ ａｉ ｆｎｔｎ ｓｄｎ ｄ ｏｔ ｅ［ ］ Ｍｅｈ－ ｌ ｓ ｉ ｉ ｏ
４结
语
信号 ， 相位是转速的积分 ， 对于转速 阶跃 ， 即使稳态相 位存 在 误差 ， 于速度而言是无差 的。当速度反馈信号和速 度参 考 对 信号锁定 时 ， 电机的平 均速度误差将 为零 ， 只存 在很 小 的瞬 时高频抖动 ， 意味着很高的稳态精度 。
本文针对卫星姿态控 制用控制 电机 陀螺低速伺服框 架
环 图 ， 对极 下 有 １ 元 件 ， 两 ３个 星
３３
上进行了优化设计 ， 使电机具有体积紧凑 、 齿槽转矩 小 、 电 反
势正弦度高等特 点 ； 在控 制 中采 用 了高精 度锁 相 环控 制技 术， 使系统可 以在低速情况下实现高精度控制。
形 电势 图如 图 ３所示 。由于每 个星形 图 中的元 件 数 是 ｌ ， ３ 不
用低 速 大力 矩 的直 驱 永 磁 同 步 电动 机 。 为 了 减 小 电 机 齿 槽
控制精度 。而控制力矩 陀螺 的框架 系统 的角 速率 精度是 影
响其转矩输出精度的重要因素之一 ， 因此要实现控制力矩 陀
螺 输 出转 矩 的 高 精 度 ， 须 实 现 其 框 架 系统 的高 精 度 控 制 。 必
ｈ ｒ ｂ ｅ ｖ ｒｔｐ ｏ ｔ ｌ ｒｗｉ ａ ｄ ｃ ｎｒ ｌ ｈ ｒ ｂ ｅ ｖ ｒ ｔｐ ａ ｄ ｏ ｓ ｒｅ ｙ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｔ ｈ ｒ ｏ ｔｏ／ ａ ｄ ｏ ｓ ｒ ｅ ｅ ｏｅ ｈ ｙ
构参数发生变化时仍具有较好的性能。
ｃ ｎｒｌｅ ｒｓ ｔｈ ｄ ｒｌｃａ ｃ ｔｒ， ｙｔｍｓ Ｍａ ， ｄＣｙｅ － ｏ ｔ ｌｒｆ ｗｉ ｅ ｅｕｔｎ ｅｍｏｏｓ Ｓ ｓｅ ， ｎ ａ ｂ ｒ ｏ ｏ ｃ ｎ
… … 一 ．
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在 已经应 用 于 新 一 代 控 制 电机 陀 螺 系统 ， 低 速 控 制 精 度 具有
图 ７ 锁 相 稳 速控 制 结 构
高、 质量轻和功耗低等特点 ， 其技术水平居 国内领先地位 ， 保
证了控制 电机陀螺的输 出转矩精度 ， 确保卫 星姿态调节的整 体精 度。
调整各项参数后达 到 ： 制电机陀 螺框架转 速带宽 达到 ｌ 控 Ｏ
Ｈ 左右 ， ｚ 在各个转速点的瞬态转速控制精度都在 ００ ．１量级 以下 ， 平均转速精度则稳定在 ０ Ｏ４左右 。 ．Ｏ
为实现高稳态精度 的稳速控制 ， 文中采用锁相控制技术 实现 电机的低速稳 速控 制。由于锁相环是将 相位作 为控 制