張 猛，祝曉麗，陸嬌娣，耿遠(yuǎn)迎，王友平

(北京控制工程研究所，北京 100190)

一種高穩(wěn)定度太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制方法

張 猛，祝曉麗，陸嬌娣，耿遠(yuǎn)迎，王友平

(北京控制工程研究所，北京 100190)

為了提高低軌遙感平臺(tái)衛(wèi)星用太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(SADM，solar array drive mechanism)的速率穩(wěn)定度，降低太陽帆板轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)星體姿態(tài)穩(wěn)定度的影響，在對(duì)SADM驅(qū)動(dòng)原理分析和驅(qū)動(dòng)性能測試的基礎(chǔ)上，明確了步進(jìn)電機(jī)定位力矩對(duì)速率穩(wěn)定度的影響，并提出了定位力矩補(bǔ)償方法.在SADM轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測量平臺(tái)上，對(duì)定位力矩補(bǔ)償?shù)尿?qū)動(dòng)控制效果進(jìn)行了測試和對(duì)比分析，測試結(jié)果表明，采用定位力矩補(bǔ)償控制方法可以將SADM的速率穩(wěn)定度提高約一倍.

SADM；步進(jìn)電機(jī)；定位力矩；補(bǔ)償；速率穩(wěn)定度

為滿足空間飛行器在軌能源供應(yīng)的需要，大多數(shù)三軸穩(wěn)定飛行器采用帆板式太陽電池陣并使用太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(SADM，solar array drive mechanism)使電池陣對(duì)日定向，以便盡可能多的獲取能源，同時(shí)通過太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳輸信號(hào)并向飛行器本體內(nèi)部傳輸能源.太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通常采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，步進(jìn)電機(jī)具有定位精度高、無累積誤差和易于開環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn).

從驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上分類，太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括直接驅(qū)動(dòng)型太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和帶減速器的間接驅(qū)動(dòng)型太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu).德國TELDIX GmbH公司、法國CNES公司及SEP公司、德法EADS Astrium公司和北京控制工程研究所均有直接驅(qū)動(dòng)型SADM產(chǎn)品應(yīng)用于地球靜止軌道或太陽同步軌道衛(wèi)星.直接驅(qū)動(dòng)型SADM通常采用超小步距角的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了獲得更高的穩(wěn)定度，通常采取步進(jìn)細(xì)分控制.由于沒有減速部件，直接驅(qū)動(dòng)型SADM具有非常高的轉(zhuǎn)動(dòng)壽命，但受限于步進(jìn)電機(jī)的性能，驅(qū)動(dòng)力矩不大.應(yīng)用更為廣泛的是間接驅(qū)動(dòng)型SADM，國際上各主要SADM生產(chǎn)商均有間接驅(qū)動(dòng)型SADM產(chǎn)品，諧波減速器和直齒輪減速器是普遍應(yīng)用的兩種減速器，步進(jìn)電機(jī)整步距控制和微步細(xì)分控制均有應(yīng)用.間接驅(qū)動(dòng)型SADM可以獲得更小的步距角、更高的驅(qū)動(dòng)力矩，適應(yīng)各種衛(wèi)星平臺(tái)的使用需求.由于減速器的存在，SADM轉(zhuǎn)動(dòng)壽命和可靠性受減速器性能影響[1-4].

步進(jìn)電機(jī)通常具有較大的定位力矩，以提供機(jī)構(gòu)不通電時(shí)的保持力矩.但對(duì)于采用微步細(xì)分驅(qū)動(dòng)的SADM產(chǎn)品，定位力矩的存在會(huì)造成電機(jī)輸出軸步距角的周期性變化，表現(xiàn)在轉(zhuǎn)速上為轉(zhuǎn)速的周期性波動(dòng).隨著有效載荷精度的提高，衛(wèi)星平臺(tái)控制穩(wěn)定度指標(biāo)已經(jīng)要求優(yōu)于1×10-4(°)/s.而SADM驅(qū)動(dòng)太陽帆板的轉(zhuǎn)動(dòng)是衛(wèi)星Y軸最大的擾動(dòng)量，SADM驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性直接關(guān)系整星平臺(tái)的穩(wěn)定度.對(duì)于直接驅(qū)動(dòng)型SADM，步進(jìn)電機(jī)的定位力矩特性直接影響驅(qū)動(dòng)速率穩(wěn)定度.研制高性能低定位力矩步進(jìn)電機(jī)和從電機(jī)控制角度減小定位力矩是兩種有效途徑[3-6].

本文對(duì)應(yīng)用于低軌遙感平臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)型SADM產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行了詳細(xì)地分析和測試，分析了步進(jìn)電機(jī)定位力矩特性，提出了采用電流補(bǔ)償?shù)姆椒p小定位力矩影響，提高SADM的驅(qū)動(dòng)速率穩(wěn)定度.在SADM轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測量平臺(tái)上對(duì)定位力矩補(bǔ)償前后的SADM驅(qū)動(dòng)速率穩(wěn)定度進(jìn)行了測試，試驗(yàn)結(jié)果表明采用定位力矩補(bǔ)償方法可以將SADM速率穩(wěn)定度提高約一倍.

1 步進(jìn)電機(jī)定位力矩分析

直接驅(qū)動(dòng)型SADM無減速機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)輸出力矩直接作用在SADM軸系，步進(jìn)電機(jī)自身所具有的定位力矩和驅(qū)動(dòng)電路供電產(chǎn)生的電磁力矩波動(dòng)都會(huì)直接作用在SADM轉(zhuǎn)軸.為了減小SADM輸出軸的步距角并提高SADM的速率穩(wěn)定度，采用微步細(xì)分控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī).

1.1步進(jìn)電機(jī)模型

不考慮電機(jī)繞組磁滯、磁飽和，忽略電機(jī)繞組的互感等非理想因素，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)簡化模型包括如下電壓方程、力矩方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程[4-5]：

Te=Ta+Tb+TD

式中：ua、ub和ia、ib分別為電機(jī)AA′相和BB′相繞組的電壓和電流；R為相繞組電阻；L為相繞組自感；K為電機(jī)電磁力矩系數(shù)；N為電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)；θ、ω分別為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速(即帆板轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速)；D為定位力矩幅值；Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(連接帆板時(shí)為SADM轉(zhuǎn)軸和帆板轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和)；TL為電機(jī)軸上負(fù)載力矩，包括摩擦力矩和干擾力矩.

力矩方程中，Ta、Tb分別為電機(jī)AA′相和BB′相繞組相電流產(chǎn)生的電磁力矩，TD為步進(jìn)電機(jī)定位力矩，該力矩與永磁同步電機(jī)的齒槽定位力矩類似，并與繞組電流大小無關(guān).

1.2步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩分析[7-8]

兩相混合式步進(jìn)電機(jī)中，每相繞組獨(dú)立控制，按照特定的換向順序同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩相繞組使步進(jìn)電機(jī)按照順時(shí)針或者逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng).圖1所示為兩相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖.表1中“+”表示電流流入方向，“-”表示電流流出方向.

圖1 兩相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 兩相步進(jìn)電機(jī)換向順序表

圖2 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系

如圖2所示，在區(qū)域1內(nèi)，45/N(°)為由AA′和BB′兩相產(chǎn)生的電磁力矩和定位力矩的合成力矩的平衡點(diǎn).在區(qū)域2內(nèi)，AA′相繞組和BB′相繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)力矩為負(fù)值，根據(jù)圖1所示換相順序，繞組AA′電流方向?yàn)閺腁′流向A，則圖2中所示的AA′相電磁力矩為正值，此時(shí)，在區(qū)域2內(nèi)AA′相和BB′相產(chǎn)生的電磁力矩和定位力矩的合成力矩平衡點(diǎn)為135/N(°).依次類推，當(dāng)如圖3所示的步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以獲得平衡位置附近作用于電機(jī)轉(zhuǎn)子的電磁力矩和定位力矩的合成力矩波形，即電機(jī)的實(shí)際輸出力矩.當(dāng)采用雙四拍工作方式時(shí)，在平衡點(diǎn)的電磁力矩和定位力矩符號(hào)相反，使得在平衡點(diǎn)實(shí)際作用于轉(zhuǎn)子的力矩波形平緩，可能造成平衡時(shí)位置誤差變大.由于雙四拍工作方式的平衡位置與電機(jī)不通電時(shí)的平衡位置不同，在繞組不通電時(shí)，由于定位力矩的作用，步進(jìn)電機(jī)將順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)約45/N(°).

圖3 正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)平衡位置附近的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩和定位力矩

1.3微步細(xì)分控制轉(zhuǎn)矩分析

步進(jìn)電機(jī)采用整步距驅(qū)動(dòng)方式工作時(shí)在特定頻率和負(fù)載條件下存在振蕩現(xiàn)象，并且由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，步距角受到一定的限制.為了獲得更小的步距角并抑制電機(jī)的振蕩，通常采用微步細(xì)分控制驅(qū)動(dòng)兩相混合式步進(jìn)電機(jī).步進(jìn)電機(jī)兩相繞組分別通以具有如下相位關(guān)系的正弦電流：

其中：Im為繞組電流幅值；α為兩相繞組電流的電角度.步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩如下：

微步細(xì)分控制過程中，按照式(6)控制兩相繞組電流為正弦時(shí)，由于定位力矩的作用，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)步進(jìn)電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩存在與定位力矩頻率一致的4次諧波.實(shí)際驅(qū)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度并不均勻，如圖4所示.轉(zhuǎn)子角度變化的不均勻直接造成轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，降低了SADM的速率穩(wěn)定度.

2 定位力矩補(bǔ)償方法

針對(duì)定位力矩周期性變化和大小與電機(jī)繞組電流無關(guān)的特性，提出在繞組參考電流波形上疊加定位力矩補(bǔ)償電流的方法減小或消除定位力矩的影響.定義兩相繞組參考電流波形如下:

將式(8)代入式(3)得

令式(9)右側(cè)后兩項(xiàng)為0，可得

實(shí)際控制過程中，由于采用開環(huán)控制，不測量轉(zhuǎn)子角位置θ，因此，無法直接獲得式(11)所示的參考電流波形.分析并測量遙感平臺(tái)SADM實(shí)際工作工況，理想情況下，SADM工作過程中，驅(qū)動(dòng)力矩與阻力矩相等，如果阻力矩保持恒定，則兩相繞組參考電流表達(dá)式中的α與Nθ的差值保持恒定，在知道α與Nθ的差值的條件下，就可以確定參考電流波形.SADM空載和帶實(shí)際帆板工作時(shí)，阻力矩只存在于SADM內(nèi)部，該阻力矩由軸承摩擦力矩、滑環(huán)摩擦力矩等組成.SADM以巡航速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度波動(dòng)約為標(biāo)稱速度的15%左右，考慮到SADM輸出軸自身轉(zhuǎn)動(dòng)很慢，SADM的摩擦阻力矩變化很小，因此，可以在對(duì)阻力矩進(jìn)行估算的基礎(chǔ)上確定α與Nθ的關(guān)系，并確定兩相繞組參考電流波形.

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1SADM轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測量平臺(tái)

SADM轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測量平臺(tái)如圖5所示.在該平臺(tái)中，利用高精度光柵測量SADM輸出軸轉(zhuǎn)角，利用轉(zhuǎn)矩傳感器測量SADM輸出力矩，磁粉制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)在輸出軸上施加阻力矩負(fù)載.該平臺(tái)測角精度為0.41″，轉(zhuǎn)矩測量精度為20mN·m，最大轉(zhuǎn)矩測量范圍為10N·m，轉(zhuǎn)角采樣頻率高達(dá)100kHz.

圖5 SADM轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測量平臺(tái)

3.2試驗(yàn)結(jié)果

遙感平臺(tái)SADM步進(jìn)電機(jī)定位力矩約為單相繞組驅(qū)動(dòng)力矩的4%，即k=0.04，SADM以巡航和應(yīng)急模式運(yùn)行時(shí)，α與Nθ差值約為36°.

在SADM轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測量平臺(tái)上對(duì)定位力矩補(bǔ)償前后的SADM輸出軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行了測量，測試條件：負(fù)載力矩為零，SADM輸出軸不帶慣性負(fù)載.圖6為定位力矩補(bǔ)償前后SADM轉(zhuǎn)速對(duì)比結(jié)果，標(biāo)稱轉(zhuǎn)速為0.0715(°)/s.圖中周期性轉(zhuǎn)速尖峰由繞組電流換向造成.定位力矩補(bǔ)償后，由定位力矩造成的SADM輸出軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯減小.

圖7為定位力矩補(bǔ)償前后轉(zhuǎn)速諧波對(duì)比結(jié)果.定位力矩補(bǔ)償后，與定位力矩相關(guān)的4次諧波幅值顯著減小.

采用300ms采樣周期對(duì)SADM輸出軸轉(zhuǎn)角變化進(jìn)行了測量，按照式(12)計(jì)算了速率穩(wěn)定度

圖6 定位力矩補(bǔ)償前后SADM轉(zhuǎn)速對(duì)比結(jié)果

圖7 定位力矩補(bǔ)償前后轉(zhuǎn)速諧波對(duì)比結(jié)果

4 結(jié) 論

本文在對(duì)步進(jìn)電機(jī)定位力矩分析的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)用于直接驅(qū)動(dòng)型SADM的步進(jìn)電機(jī)定位力矩補(bǔ)償方法，在SADM轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測量平臺(tái)上對(duì)定位力矩補(bǔ)償前后SADM輸出軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行了對(duì)比測試.試驗(yàn)結(jié)果表明，采用定位力矩補(bǔ)償后，SADM輸出軸轉(zhuǎn)速中與定位力矩相關(guān)的4次諧波幅值顯著減小，SADM轉(zhuǎn)動(dòng)速率穩(wěn)定度能夠提高約一倍.

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AHighStablityControlMethodforSolarArrayDriveMechanism

ZHANG Meng,ZHU Xiaoli,LU Jiaodi,GENG Yuanying,WANG Youping

(BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190,China)

In order to improve the speed stability of solar array drive mechanism(SADM) used in a LEO remote sensing satellite and to reduce the effect of the motion of solar array on the satellite attitude stability,a compensation method for detent torque is proposed based on the detent torque analysis and testing results of direct drive SADM.A speed and torque testing equipment of SADM is used to test the driving performance with or without the detent torque compensation.The experimental results show that the speed stability of SADM is greatly improved.

SADM；step motor；detent torque；compensation；speed stability

2010-06-12

張猛(1978—)，男，遼寧人，博士，研究方向?yàn)楹教炱骺刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)(zhangm98@mails.tsinghua.edu.cn).

TM383.6

A

1674-1579(2010)04-0046-04