范佳堃,王友平,崔赪旻

(北京控制工程研究所,北京 100190)

大磁矩磁力矩器驅(qū)動(dòng)電路的一種設(shè)計(jì)方案

范佳堃,王友平,崔赪旻

(北京控制工程研究所,北京 100190)

研究了一種1500～2000 A·m2的大磁矩磁力矩器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案.電路主要采用脈寬調(diào)制+H橋驅(qū)動(dòng)的形式，根據(jù)輸入信號(hào)的不同，輸出的激磁電流呈線性變化.針對(duì)大磁矩磁力矩器電氣參數(shù)的特點(diǎn)，建立簡(jiǎn)化電氣模型，確定電氣參數(shù)值，并提出抑制剩磁矩的方法和使用中的注意事項(xiàng).該電路功耗小，控制方式簡(jiǎn)單，通常與大磁矩磁力矩器一同用于大型航天器的姿態(tài)控制.

大磁矩磁力矩器；驅(qū)動(dòng)電路；脈寬調(diào)制+H橋驅(qū)動(dòng)

磁力矩器是航天器的執(zhí)行部件之一，由磁力矩器本體和為其提供特定激磁電流的驅(qū)動(dòng)電路組成.由于磁力矩器在體積、質(zhì)量、功耗、壽命等方面具有優(yōu)勢(shì)，加上地磁模型的完善，剩磁補(bǔ)償、星載計(jì)算機(jī)軟件算法及主動(dòng)磁控技術(shù)的發(fā)展，使磁力矩器在航天器姿態(tài)控制方面得到了廣泛應(yīng)用，且在航天器控制工程中磁控技術(shù)也取得了一定的進(jìn)展.目前國(guó)際上使用的磁力矩器輸出的最大磁矩通常為5～1 000 A·m2[1-3].國(guó)內(nèi)磁力矩器已從幾十A·m2發(fā)展到幾千A·m2，在軌使用的磁力矩器輸出的最大磁矩為400 A·m2.隨著中國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，特別是空間站的組建，大型航天器的研制勢(shì)在必行.大型航天器由于體積結(jié)構(gòu)龐大、姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力要求較高，因此對(duì)動(dòng)量交換執(zhí)行機(jī)構(gòu)有較大的動(dòng)量要求，對(duì)磁力矩器同樣有較大的動(dòng)量卸載要求，也就是對(duì)磁力矩器輸出的最大磁矩有了更高的要求.本文提到的大磁矩磁力矩器是指輸出的最大磁矩在1 500～2 000 A·m2的磁力矩器.

磁力矩器驅(qū)動(dòng)電路的功能是為磁力矩器提供特定的激磁電流，使磁力矩器輸出特定的磁矩.驅(qū)動(dòng)電路形式與控制系統(tǒng)的方案有關(guān)，目前驅(qū)動(dòng)電路的形式主要有兩種：一種為開關(guān)形式(輸出的激磁電流是一恒定值或?yàn)?)，磁力矩器輸出的磁矩為確定值；一種為線性形式(輸出的激磁電流在一定范圍內(nèi)根據(jù)控制信號(hào)幅值的不同呈線性變化)，磁力矩器輸出的磁矩線性可控[3-4].

1 磁力矩器的電氣模型

磁力矩器的主體通常是一根圓柱形的軟磁芯棒，在芯棒上纏繞一定匝數(shù)的漆包圓銅線[4-5]，根據(jù)輸出磁矩的大小，確定繞線的層數(shù)及每層繞線的匝數(shù).芯棒上纏繞的漆包圓銅線之間存在分布電容，在通電的情況下產(chǎn)生電感，且導(dǎo)線上也必不可少的存在損耗電阻.由于分布電容既存在于同層的相鄰繞線間，也存在于不同層的相鄰繞線間，導(dǎo)致磁力矩器的電氣模型比較復(fù)雜.假設(shè)繞線一共有N層，每一層有n匝，每層相鄰兩匝線圈間的分布電容為xi，層與層間相鄰兩匝線圈間的分布電容為ki，如圖1所示，其中“A-A”為垂直于軟磁芯棒軸向的任意剖面.圖2為磁力矩器的等效電氣模型[6].

圖1 磁力矩器分布電容示意圖

圖2 磁力矩器等效電氣模型

圖3 磁力矩器的簡(jiǎn)化電氣模型

首先根據(jù)磁力矩器的材料、外形尺寸、漆包圓銅線的規(guī)格、纏繞方式等確定磁力矩器的電感量L和損耗電阻R，然后在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，通過諧振法確定分布電容C.

2 驅(qū)動(dòng)電路方案

由于大磁矩磁力矩器輸出的最大磁矩在1 500～2 000 A·m2，如果驅(qū)動(dòng)電路采用開關(guān)形式，那么磁力矩器將對(duì)航天器產(chǎn)生一個(gè)不小的擾動(dòng)，且姿態(tài)控制精度明顯降低.驅(qū)動(dòng)電路如采用線性形式可以有效解決以上問題.

由于大磁矩磁力矩器工作時(shí)需要的工作電壓較高，且驅(qū)動(dòng)電路需要采用線性形式，所以為降低驅(qū)動(dòng)電路的功耗，電路采用脈寬調(diào)制(PWM)的方式.利用磁力矩器的電感特性(通過它的電流不能突變)來實(shí)現(xiàn)通過改變PWM電路的占空比來控制磁力矩器上電流的變化，實(shí)現(xiàn)磁矩線性可控.假設(shè)輸出磁矩為m、激磁電流為i、PWM電路的占空比為d、磁矩控制信號(hào)為u，那么有以下的關(guān)系：

式中，k1、k2、k3為比例因子，數(shù)值由驅(qū)動(dòng)電路本身決定，為此磁矩的大小只取決于磁矩控制信號(hào)的大小，并具有一定的線性關(guān)系.

磁矩的方向通過H橋電路進(jìn)行控制.整個(gè)磁力矩器驅(qū)動(dòng)電路采用脈寬調(diào)制+H橋驅(qū)動(dòng)的形式.

3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

3.1驅(qū)動(dòng)電路的對(duì)外接口

驅(qū)動(dòng)電路與星載計(jì)算機(jī)、負(fù)載(磁力矩器)、星上電源及遙控系統(tǒng)之間的接口關(guān)系如圖4所示.圖中：星上電源為驅(qū)動(dòng)電路供電；星載計(jì)算機(jī)為驅(qū)動(dòng)電路提供磁矩控制信號(hào)，此信號(hào)通常為-5～+5V的電壓模擬量；磁力矩器為被驅(qū)動(dòng)負(fù)載；遙控系統(tǒng)用于接收驅(qū)動(dòng)電路輸出的遙測(cè)信號(hào)，用來反映激磁電流的狀態(tài).

圖4 驅(qū)動(dòng)電路對(duì)外接口圖

3.2驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)的確定

驅(qū)動(dòng)電路的參數(shù)要根據(jù)負(fù)載特性及工作模式確定.由式(2)可以計(jì)算出磁力矩器工作時(shí)所需要的最大激磁電流I.

(2)

式中：M為最大磁矩；Vcore為軟磁芯棒體積；I為最大激磁電流；Na為衰減系數(shù)；B為線圈總匝數(shù)；μr為軟磁芯棒材料的相對(duì)導(dǎo)磁率；Nd為去磁因子；L′為繞線的有效長(zhǎng)度.

驅(qū)動(dòng)電路使用到的電源主要包括邏輯電路和基準(zhǔn)電路要用到的邏輯電源(電壓值為±12V或±15V)及為磁力矩器提供電流的驅(qū)動(dòng)電源U，由于航天器提供的一次母線電壓值一定，驅(qū)動(dòng)電路要通過DC-DC變換器將其轉(zhuǎn)換為所需要的二次電源.驅(qū)動(dòng)電源U的電壓值可以通過式(3)進(jìn)行確定.

U=I×R+a

(3)

式中，a為常數(shù)，取值在5～10 V，用于驅(qū)動(dòng)電路上的損耗.

PWM的開關(guān)頻率f主要取決于對(duì)激磁電流品質(zhì)的要求和電路中元器件的性能.從電流平穩(wěn)性的角度出發(fā)，希望f越高越好，這樣漆包圓銅線上的瞬時(shí)電流值更接近所期望的電流值.但是f不能高于電路正常工作所能允許的最高頻率.而最高頻率是由電路中使用的元器件的工作頻率決定的.

3.3電路組成及原理

驅(qū)動(dòng)電路的原理框圖如圖5所示，其組成如下.

圖5 驅(qū)動(dòng)電路原理框圖

(1)二次電源電路

二次電源電路主要由前置級(jí)電路和變換器電路組成.前置級(jí)電路的主要功能是提供輸入端的過流保護(hù)，減小二次電源對(duì)航天器一次母線的干擾，為變換器提供相應(yīng)的電源.變換器電路采用雙管正激變換器拓?fù)潆娐?，其功能是將一次母線轉(zhuǎn)換成特定的二次電源，為驅(qū)動(dòng)電路提供邏輯電源和驅(qū)動(dòng)電源.

(2)鋸齒波發(fā)生器

鋸齒波發(fā)生器的主要功能是提供與磁矩控制信號(hào)相比較的波形.

(3)輸入信號(hào)處理電路

輸入信號(hào)處理電路主要由1個(gè)反相器和1個(gè)射極跟隨器組成，其功能是將-5～+5V的磁矩控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為單一方向的-5～0V的控制信號(hào)，并將此信號(hào)輸出到前置放大電路，通過與鋸齒波的比較進(jìn)行脈寬調(diào)制，從而調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路輸出的激磁電流的大小.

(4)前置放大電路

前置放大電路的功能是控制H橋電路中兩個(gè)上橋臂工作在PWM狀態(tài)下的占空比.電路采用比例積分(PI)的形式，并以差分方式引入激磁電流負(fù)反饋，以保證磁力矩器電流穩(wěn)定，從而保證磁力矩器輸出磁矩的穩(wěn)定.

(5)方向電路

方向電路采用過零比較器電路，目的是根據(jù)磁矩控制信號(hào)方向的不同，將-5～+5V的電壓模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)邏輯電平信號(hào).此信號(hào)的狀態(tài)將決定H橋電路的導(dǎo)通方向.從式(2)可以看出，磁矩的方向只取決于激磁電流的方向，即通過控制H橋電路電流導(dǎo)通方向可以改變磁矩方向.

(6)H橋電路

H橋電路的示意圖如圖6所示.H橋電路的導(dǎo)通狀態(tài)由方向電路控制，處于工作狀態(tài)的兩個(gè)功率管如V1和V4，其中下橋臂上的功率管V4處于常導(dǎo)通的狀態(tài)，上橋臂上的功率管V1處于PWM的狀態(tài).整流二極管Z3和Z4的作用是在上橋臂的功率管V1處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)進(jìn)行續(xù)流，在設(shè)計(jì)上對(duì)橋臂的控制信號(hào)加入死區(qū)以防止發(fā)生上下橋臂對(duì)通的現(xiàn)象.

圖6 H橋電路的示意圖

(7)遙測(cè)電路

遙測(cè)電路的功能是反映驅(qū)動(dòng)電路輸出的激磁電流的大小和方向，通常為0～5V的電壓模擬量，且要求與激磁電流具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

4 注意事項(xiàng)

大磁矩磁力矩器驅(qū)動(dòng)電路，由于其負(fù)載的特殊性和復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)和使用中均有值得關(guān)注的方面.

4.1電磁兼容性

為降低驅(qū)動(dòng)電路的功耗，驅(qū)動(dòng)電路采用了PWM的方式調(diào)整激磁電流的大小，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路中的二次電源電路也具有工作頻率，該工作頻率要根據(jù)PWM的頻率加以確定，避免電磁干擾.在此基礎(chǔ)上，還可以通過在DC-DC變換器電路和PWM電路間實(shí)現(xiàn)空間隔離(如增加金屬隔板)、在DC-DC變換器電路和PWM電路間的連接處增加濾波電路、在離IC芯片電源及輸入端管腳盡可能近的地方放置去耦電容等方法降低電磁干擾對(duì)電路性能的影響.

4.2反電勢(shì)的消除及電路保護(hù)

大磁矩磁力矩器的電感量很大，在關(guān)閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的反電勢(shì).為消除反電勢(shì)，驅(qū)動(dòng)電路中應(yīng)設(shè)計(jì)續(xù)流回路[7].續(xù)流回路的形式有很多種，要根據(jù)控制系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求以及驅(qū)動(dòng)電路自身的特點(diǎn)，進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì).

4.3剩磁矩的抑制

剩磁矩是用零輸入時(shí)的磁矩占最大磁矩的百分比來定義的，其大小也是衡量磁力矩器性能的重要指標(biāo)，有效抑制剩磁矩的大小可以減小磁力矩器對(duì)航天器姿態(tài)的擾動(dòng)[8].如果控制系統(tǒng)要求磁力矩器的剩磁矩很小或近似為0，那么驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中要采用消磁電路，以保證零輸入時(shí)，剩磁矩可以滿足控制系統(tǒng)的要求.

這里介紹兩種抑制剩磁矩的方法.一種是對(duì)磁力矩器的輸出磁矩采用閉環(huán)控制方法，在控制線路中增加霍爾傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用該網(wǎng)絡(luò)將磁力矩器產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)反饋與磁矩控制信號(hào)共同控制驅(qū)動(dòng)電路，其原理框圖如圖7所示.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜[4].一般磁力矩器的剩磁矩的大小為一固定值，主要取決于磁芯棒材料的磁性能，另一種方法就是基于剩磁矩的這個(gè)特點(diǎn)，先對(duì)剩磁矩的大小進(jìn)行標(biāo)定，再將標(biāo)定值作為磁矩控制信號(hào)為零時(shí)，磁力矩器輸出磁矩的固定偏差，通過驅(qū)動(dòng)電路對(duì)此偏差進(jìn)行校正.確保在磁矩控制信號(hào)為零時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出的激磁電流可以使磁力矩器產(chǎn)生一個(gè)與剩磁矩大小相等方向相反的磁矩.該方法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，但精度不如前一種方法.

圖7 磁矩閉環(huán)控制電路原理框圖

4.4使用方法

大磁矩磁力矩器不僅電感量很大，在輸出最大磁矩時(shí)，自身的功耗也很大，針對(duì)各種不同的工作模式，要明確其使用方法，以避免錯(cuò)誤的使用對(duì)驅(qū)動(dòng)電路造成損壞，影響其性能指標(biāo).使用要求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.

1)磁矩控制信號(hào)不能直接換向，應(yīng)該采用過零的控制方式.因?yàn)槿绻啪乜刂菩盘?hào)直接換向，驅(qū)動(dòng)電路將會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生充電現(xiàn)象，使驅(qū)動(dòng)電源的電壓值升高，電壓升高的幅度取決于換向前激磁電流的大小.由于大磁矩磁力矩器電感量過大，在磁矩控制信號(hào)直接換向時(shí)，磁力矩器釋放出大量的能量，使驅(qū)動(dòng)電源電壓值大幅升高，極易造成驅(qū)動(dòng)電源的損壞.

2)在加電時(shí)應(yīng)遵循先加一次電源，再從零逐步調(diào)節(jié)磁矩控制信號(hào)；斷電時(shí)應(yīng)遵循先將磁矩控制信號(hào)逐步調(diào)整到零，再斷一次電源.避免磁矩控制信號(hào)的絕對(duì)值較大時(shí)，直接接通或斷開一次母線對(duì)飛行器的姿態(tài)產(chǎn)生較大的擾動(dòng).

3)如果驅(qū)動(dòng)電路有備份且負(fù)載(磁力矩器)沒有備份，那么主備份電路在切換前應(yīng)將磁矩控制信號(hào)逐步調(diào)整到零，再進(jìn)行切換.目的是防止主備份電路串電，導(dǎo)致出現(xiàn)主備份電路均失效的現(xiàn)象.

5 結(jié) 論

大磁矩磁力矩器有著廣泛的應(yīng)用前景，并有磁矩不斷增大的趨勢(shì).圍繞著如何驅(qū)動(dòng)這個(gè)功率部件目前國(guó)內(nèi)已開始了一些研究.本文針對(duì)大磁矩磁力矩器電氣參數(shù)的特點(diǎn)，提出其驅(qū)動(dòng)電路的一種設(shè)計(jì)思路和原理實(shí)現(xiàn)方法，電路主要采用脈寬調(diào)制+H橋驅(qū)動(dòng)的形式.該電路功耗小，控制方式簡(jiǎn)單，通常與大磁矩磁力矩器一同用于大型航天器的姿態(tài)控制.

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ADesignMethodofLarge-Magnetic-TorquerDriveCircuit

FAN Jiakun, WANG Youping, CUI Chengmin

(BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190，China)

The paper investigates the design skills and principle of a large-magnetic-torquer drive circuit, adopting pulse width modulation and H-bridge.The drive circuit can output linear-current with analog input signal.According to the characteristics of the large-magnetic-torquer electric parameters, a simple electric model is established and a method for determining electric parameters is presented.Also methods for eliminating the remanence and remarks of the circuit application are proposed.This kind of circuit is usually used in the attitude control systems of large spacecrafts with large-magnetic-torquer, and has been validated to be low-consumption and easy-controlled.

large-magnetic-torquer; drive circuit; pulse width modulation and H bridge

2009-04-26

范佳堃(1977—)，女，哈爾濱人，工程師，研究方向?yàn)楹教炱鲌?zhí)行結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路(e-mail:fjkzy1530@sina.com).

TH133,V448.22

A

1674-1579(2010)02-0058-05