范佳堃，孟海江，曹 劍，徐勤超，展 毅，張 磊

(1.北京控制工程研究所，北京 100190;2.精密轉(zhuǎn)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)壽命技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

一種跟隨式大磁矩磁力矩器高反電勢(shì)抑制技術(shù)*

范佳堃1,2，孟海江1,2，曹 劍1,2，徐勤超1,2，展 毅1,2，張 磊1,2

(1.北京控制工程研究所，北京 100190;2.精密轉(zhuǎn)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)壽命技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

提出一種可以實(shí)現(xiàn)大磁矩磁力矩器磁棒電流續(xù)流時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制方法，該方法既可以抑制大磁矩磁力矩器高反電勢(shì)的產(chǎn)生，又無(wú)需增加功率器件為磁棒電流提供續(xù)流回路，大幅減小控制線(xiàn)路的體積及熱設(shè)計(jì)難度，同時(shí)可以滿(mǎn)足輸出磁矩在小幅值內(nèi)頻繁變換方向的使用要求.

大磁矩磁力矩器；高反電勢(shì)；續(xù)流時(shí)間；自動(dòng)調(diào)節(jié)

0 引 言

磁力矩器是航天器的執(zhí)行部件之一，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、且相對(duì)于噴氣卸載不需要燃料可重復(fù)使用，在航天器姿態(tài)控制方面得到了廣泛地應(yīng)用[1-4].大磁矩磁力矩器是指輸出最大磁矩在1 500～2 000 Am2的磁力矩器，是為了滿(mǎn)足中國(guó)空間站建設(shè)的需求而研制的一種新型磁力矩器.中小型磁力矩器輸出的磁矩在10～100 Am2，大磁矩磁力矩器在輸出磁矩以指數(shù)級(jí)大幅提升的同時(shí)，磁棒自身的電感和所需的激磁電流都有大幅的增加，工作時(shí)，磁棒自身存儲(chǔ)大量的能量[5]，導(dǎo)致在控制信號(hào)關(guān)斷時(shí)，如果能量沒(méi)有合理的釋放通路，將會(huì)產(chǎn)生很高的反電勢(shì)，并對(duì)直流電源進(jìn)行充電，最壞情況會(huì)將母線(xiàn)電壓抬高至幾百伏，致使線(xiàn)路損壞.本文介紹了現(xiàn)有措施的弊端，并提出了一種磁棒電流的續(xù)流時(shí)間可自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制電路，可以有效抑制高反電勢(shì)的產(chǎn)生，消除磁棒電流對(duì)直流電源充電所造成的影響.

1 充電問(wèn)題分析及現(xiàn)有解決方法

大磁矩磁力矩器控制線(xiàn)路主要包括：輸入信號(hào)處理電路、方向電路、前置放大電路、邏輯控制電路、H橋驅(qū)動(dòng)電路、DC-DC變換器、反饋電路和續(xù)流調(diào)節(jié)電路，如圖1所示.由于大磁矩磁力矩器工作時(shí)需要較高的供電電壓，通常在40～60 V，星上一次電源很難滿(mǎn)足其使用要求，采用DC-DC變換器將一次電源轉(zhuǎn)換為合適的直流二次電源提供給H橋驅(qū)動(dòng)電路，作為磁棒線(xiàn)圈的供電電源[5].

如圖2所示，磁棒線(xiàn)圈AB接在H橋驅(qū)動(dòng)電路的兩個(gè)輸出端之間，V+是DC-DC變換器輸出的直流二次母線(xiàn).邏輯控制電路輸出4個(gè)用于控制H橋的邏輯信號(hào)，控制上橋臂的F1、F2信號(hào)為PWM信號(hào)，控制下橋壁的F3、F4信號(hào)為直流電平信號(hào)，根據(jù)4個(gè)信號(hào)的狀態(tài)，H橋驅(qū)動(dòng)電路為磁棒提供不同方向及大小的激磁電流.

圖3是邏輯控制電路輸出的時(shí)序關(guān)系圖，在t1時(shí)間段內(nèi)，Q4處于常導(dǎo)通，Q1處于PWM工作方式，Q2、Q3截止.當(dāng)F1、F4為高電平時(shí)，產(chǎn)生V+—Q1—A—B—Q4—GND的電流回路，當(dāng)F1為低電平時(shí)，形成GND—D3—A—B—Q4—GND的續(xù)流回路.如果驅(qū)動(dòng)策略不當(dāng)，或計(jì)算機(jī)復(fù)位等偶發(fā)情況出現(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致控制信號(hào)突然換向，換向時(shí)，F(xiàn)4由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，Q4截至，則會(huì)形成GND—D3—A—B—D2—V+的續(xù)流回路[6-7].圖4是單根大磁矩磁力矩器換向時(shí)產(chǎn)生的高反電勢(shì)及對(duì)V+充電的波形圖，反電勢(shì)可達(dá)129 V，V+從50 V的正常電壓值被抬高到120 V，如果控制系統(tǒng)采用的所有磁力矩器(至少3根)同時(shí)換向，那么可將V+抬高至幾百伏，使H橋電路中晶體管Q1和Q2的C極和E極之間的電壓超出額定值，導(dǎo)致器件燒毀.

抑制大磁矩磁力矩器產(chǎn)生高反電勢(shì)通常有兩個(gè)途徑，一是利用電容器或功率開(kāi)關(guān)器件對(duì)磁力矩器釋放的能量進(jìn)行吸收，并形成泄放電路；二是在換向時(shí)增加一個(gè)大的延時(shí)，保持原有的續(xù)流回路，當(dāng)磁棒電流降為零后，再改變激磁電流的方向.

由于大磁矩磁力矩器具有較大的電感量，高達(dá)幾十H，最大工作電流為幾百mA，如采用電容器則要求電容器的容值很大，達(dá)到mF量級(jí)，造成電容器體積龐大，因此該方法很不實(shí)用.利用功率開(kāi)關(guān)器件是通過(guò)在V+和GND之間設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，當(dāng)磁棒產(chǎn)生的反電勢(shì)達(dá)到某一設(shè)計(jì)值時(shí)，開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通，形成續(xù)流回路，在續(xù)流的過(guò)程中磁棒上存儲(chǔ)的能量完全轉(zhuǎn)移到開(kāi)關(guān)電路的功率器件上，在功率器件上產(chǎn)生很大的瞬時(shí)功耗[9].該方法不僅需要采用大尺寸封裝的功率器件，同時(shí)也帶來(lái)了功率器件的散熱問(wèn)題.

換向時(shí)增加一個(gè)大的延時(shí)，可以不增加功率器件，并避免為此帶來(lái)的散熱問(wèn)題，但是為了保證產(chǎn)品的可靠性，延時(shí)時(shí)間是根據(jù)最大的續(xù)流時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，為固定值.這導(dǎo)致了磁力矩器無(wú)論在輸出多大磁矩時(shí)，換向時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的延時(shí)，大大降低了產(chǎn)品的適應(yīng)性.

2 續(xù)流時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)控制電路

本文提出了續(xù)流時(shí)間可自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制策略，用以抑制大磁矩磁力矩器高反電勢(shì)的產(chǎn)生.續(xù)流時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)是指換向時(shí)，控制電路可以根據(jù)換向前磁棒電流的大小產(chǎn)生相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間，當(dāng)磁棒電流基本降為零后再改變輸出磁矩的方向.

換向時(shí)，如仍想形成圖2中GND—D3—A—B—Q4—GND的續(xù)流回路，那么需要對(duì)H橋Q4的截至進(jìn)行延時(shí)控制，延時(shí)時(shí)間為

(1)

式中：i為t時(shí)刻的磁棒電流；I0為穩(wěn)態(tài)時(shí)磁棒電流；τ為磁棒的時(shí)間常數(shù).

通常當(dāng)i下降到最大激磁電流的1%以?xún)?nèi)時(shí)，將不再利用續(xù)流時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)電路進(jìn)行續(xù)流，而是通過(guò)二次直流母線(xiàn)進(jìn)行續(xù)流.根據(jù)能量守恒，磁力矩器釋放的能量等于二次直流母線(xiàn)增加的能量

(2)

式中：L為磁棒的電感量；C為二次直流母線(xiàn)與地線(xiàn)之間的電容；U1為充電后的二次直流母線(xiàn)電壓值；U0為二次直流母線(xiàn)電壓初始值.

如果按照L=20 H，Imax(最大激磁電流)=300 mA，C=150 μF，U0=50 V進(jìn)行計(jì)算，那么當(dāng)i是Imax的1%時(shí)，U1=50.01，二次直流母線(xiàn)電壓的變化量為0.02%，此時(shí)對(duì)二次直流母線(xiàn)充電的影響可以忽略.

從式(1)可以看出，換向時(shí)，根據(jù)換向前磁棒穩(wěn)態(tài)電流值的不同，延時(shí)時(shí)間也是不同的.較以往采用固定的延時(shí)時(shí)間，大大提高了產(chǎn)品的適應(yīng)性，及使用效率.

控制電路具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示，在H橋兩個(gè)下橋臂開(kāi)關(guān)管與地之間串聯(lián)電流采樣電阻R1和R2，產(chǎn)生兩個(gè)采樣電壓Ns和Ps，Ns和Ps分別通過(guò)比較器與基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行比較.Vref控制在最大激磁電流的1%乘以采樣電阻(R1或R2)阻值的范圍內(nèi)，比較器的輸出信號(hào)再同方向信號(hào)(或是方向信號(hào)經(jīng)過(guò)非門(mén)的反信號(hào))經(jīng)過(guò)或門(mén)輸出K3和K4兩個(gè)控制信號(hào)，方向信號(hào)由方向電路輸出.K3和K4反向后分別和F1和F2兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)與門(mén)后輸出K1和K2兩個(gè)控制信號(hào)，其中F1和F2兩個(gè)信號(hào)是由邏輯控制電路輸出，為PWM信號(hào).產(chǎn)生的K1、K2、K3和K44個(gè)邏輯控制信號(hào)用于控制H橋電路的導(dǎo)通方向.

換向時(shí)邏輯信號(hào)關(guān)系圖參見(jiàn)圖6，t1時(shí)間段內(nèi)，方向信號(hào)為高電平，Q1和Q4導(dǎo)通，Q2和Q3截止，形成由磁棒A—B的電流，當(dāng)方向信號(hào)由高轉(zhuǎn)為低時(shí)，Q1立即截止，Q3立即導(dǎo)通，Δt1時(shí)間段內(nèi)Q4繼續(xù)導(dǎo)通，Δt1時(shí)間段結(jié)束后Q4截止，Q2導(dǎo)通；t2時(shí)間段內(nèi)，方向信號(hào)為低電平，Q2和Q3導(dǎo)通，Q1和Q4截止，形成由磁棒B—A的電流，當(dāng)方向信號(hào)由低轉(zhuǎn)為高時(shí)，Q2立即截止，Q4立即導(dǎo)通，Δt2時(shí)間段內(nèi)Q3繼續(xù)導(dǎo)通，Δt2時(shí)間段結(jié)束后Q3截止，Q1導(dǎo)通.Δt1和Δt2為續(xù)流時(shí)間，其時(shí)間長(zhǎng)短取決于采樣電壓Ns和Ps的大小，既取決于換向前磁棒線(xiàn)圈電流的大小，實(shí)現(xiàn)續(xù)流時(shí)間的自動(dòng)調(diào)節(jié).

3 仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用Saber仿真軟件對(duì)續(xù)流時(shí)間調(diào)節(jié)電路進(jìn)行仿真.仿真模型中，磁力矩器的電感量設(shè)定為20 H，電阻值設(shè)定為160 Ω，直流母線(xiàn)的電壓為50 V，磁力矩器的最大激磁電流約為300 mA.

仿真分析分為3種情況：

1)當(dāng)磁力矩器輸出最大磁矩時(shí)，控制信號(hào)換向.該模式下，設(shè)置方向信號(hào)周期為3 s，占空比為50%的脈沖信號(hào)，控制磁力矩器交替輸出正向和負(fù)向最大磁矩.仿真結(jié)果如圖7所示.

2)當(dāng)磁力矩器輸出任意磁矩時(shí)，控制信號(hào)換向.以輸出最大磁矩的50%為例，該模式下，設(shè)置方向信號(hào)為周期為3 s，占空比為50%的脈沖信號(hào)，控制磁力矩器交替輸出正向和負(fù)向最大磁矩的50%.仿真結(jié)果如圖8所示.

3)當(dāng)磁力矩器輸出較小的磁矩時(shí)，控制信號(hào)頻繁換向.控制系統(tǒng)的最小控制周期為250 ms，假設(shè)控制系統(tǒng)在每個(gè)控制周期都對(duì)磁力矩器進(jìn)行換向，那么方向信號(hào)將每250 ms交替輸出高低電平，這種情況下控制信號(hào)換向最為頻繁.為此在該模式下，方向信號(hào)的周期為500 ms，設(shè)置占空比為50%，輸出磁矩以最大磁矩的10%為例進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果參見(jiàn)圖9，可以看出，輸出激磁電流跟隨方向信號(hào)的變化而變化，但相對(duì)于控制周期，磁力矩器本身的時(shí)間常數(shù)較大，為此在250 ms的控制周期內(nèi)，輸出磁矩?zé)o法達(dá)到輸出最大磁矩的10%.

在仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建了實(shí)物測(cè)試平臺(tái)，系統(tǒng)各參數(shù)與仿真驗(yàn)證中相同，并按照以上仿真分析中的3種情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10～12所示.從測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)物驗(yàn)證的結(jié)果與仿真分析的結(jié)果是相吻合的.

通過(guò)以上仿真分析及實(shí)物系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果可以看出，采用續(xù)流時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，磁力矩器在輸出任意磁矩的工況下，控制信號(hào)換向，都不會(huì)對(duì)直流母線(xiàn)的電壓值產(chǎn)生影響，激磁電流按照其自身的時(shí)間常數(shù)以指數(shù)形式減小，降到零，然后以指數(shù)形式反向增大到反向給定值.當(dāng)輸出磁矩在小幅值內(nèi)頻繁換向時(shí)，輸出磁矩是否能達(dá)到給定值，取決于方向信號(hào)的換向頻率與磁棒自身時(shí)間常數(shù)之間的關(guān)系，即使輸出無(wú)達(dá)到給定值，仍可跟隨方向信號(hào)的變化實(shí)現(xiàn)輸出磁矩的連續(xù)變化，使用過(guò)程中，系統(tǒng)可以進(jìn)行補(bǔ)償或糾正.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)大磁矩磁力矩器產(chǎn)生的高反電勢(shì)對(duì)直流母線(xiàn)的影響進(jìn)行了深入研究，分析了現(xiàn)有解決方案的弊端，提出了一種可以自動(dòng)調(diào)節(jié)續(xù)流時(shí)間的磁棒線(xiàn)圈電流自然續(xù)流控制電路.該控制電路既可以滿(mǎn)足磁棒大電流工作時(shí)電流換向過(guò)程中的充分續(xù)流，同時(shí)可以滿(mǎn)足磁棒在小電流工作時(shí)快速換向需求.由于采用了自然續(xù)流的方式，磁棒存儲(chǔ)的能量全部耗散在磁棒自身，避免了采用大功率的器件，明顯降低磁力矩器控制電路的熱設(shè)計(jì)難度.

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AnAutomatically-TracingHighBackElectromotiveForceSuppressingTechnologyofLarge-Magnetic-Torquer

FAN Jiakun1,2, MENG Haijiang1,2, CAO Jian1,2, XU Qinchao1,2, ZHAN Yi1,2， ZHANG Lei1,2

(1.BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190，China; 2.BeijingKeyLaboratoryofLong-lifeTechnologyofPreciseRotationandTransmissionMechanisms,Beijing100190，China)

A novel method which can automatically adjust the freewheeling time of winding current for the large-magnetic torquer is proposed. The problem of the high back emf (electromotive force) generated by the large-magnetic torquer is solved definitely without adding power devices. Adopting the novel method, the size of the circuit board can be reduced significantly and the thermal design of the Drive Circuit becomes simple. And the requirement of frequently changing direction of magnetic torque with small amplitude is satisfied.

large-magnetic torquer; high back emf; freewheeling time; automatic adjustment

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(6150020497).

2017-02-18

V448

A

1674-1579(2017)06-0067-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2017.06.011

范佳堃(1980—)，女，高級(jí)工程師，研究方向空間執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；孟海江(1973—)，男，高級(jí)工程師，研究方向空間執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；曹劍(1980—)，男，高級(jí)工程師，研究方向空間執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；徐勤超(1983—)，男，高級(jí)工程師，研究方向空間執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；展毅(1983—)，男，工程師，研究方向空間執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；張磊(1981—)，男，助理工程師，研究方向空間執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).