一种跟随式大磁矩磁力矩器高反电势抑制技术*

范佳堃，孟海江，曹 剑，徐勤超，展 毅，张 磊

(1.北京控制工程研究所，北京 100190;2.精密转动和传动机构长寿命技术北京市重点实验室,北京 100190)

一种跟随式大磁矩磁力矩器高反电势抑制技术*

范佳堃1,2，孟海江1,2，曹 剑1,2，徐勤超1,2，展 毅1,2，张 磊1,2

(1.北京控制工程研究所，北京 100190;2.精密转动和传动机构长寿命技术北京市重点实验室,北京 100190)

提出一种可以实现大磁矩磁力矩器磁棒电流续流时间自动调节的控制方法，该方法既可以抑制大磁矩磁力矩器高反电势的产生，又无需增加功率器件为磁棒电流提供续流回路，大幅减小控制线路的体积及热设计难度，同时可以满足输出磁矩在小幅值内频繁变换方向的使用要求.

大磁矩磁力矩器；高反电势；续流时间；自动调节

0 引 言

磁力矩器是航天器的执行部件之一，由于结构简单、可靠性高、且相对于喷气卸载不需要燃料可重复使用，在航天器姿态控制方面得到了广泛地应用[1-4].大磁矩磁力矩器是指输出最大磁矩在1 500～2 000 Am2的磁力矩器，是为了满足中国空间站建设的需求而研制的一种新型磁力矩器.中小型磁力矩器输出的磁矩在10～100 Am2，大磁矩磁力矩器在输出磁矩以指数级大幅提升的同时，磁棒自身的电感和所需的激磁电流都有大幅的增加，工作时，磁棒自身存储大量的能量[5]，导致在控制信号关断时，如果能量没有合理的释放通路，将会产生很高的反电势，并对直流电源进行充电，最坏情况会将母线电压抬高至几百伏，致使线路损坏.本文介绍了现有措施的弊端，并提出了一种磁棒电流的续流时间可自动调节的控制电路，可以有效抑制高反电势的产生，消除磁棒电流对直流电源充电所造成的影响.

1 充电问题分析及现有解决方法

大磁矩磁力矩器控制线路主要包括：输入信号处理电路、方向电路、前置放大电路、逻辑控制电路、H桥驱动电路、DC-DC变换器、反馈电路和续流调节电路，如图1所示.由于大磁矩磁力矩器工作时需要较高的供电电压，通常在40～60 V，星上一次电源很难满足其使用要求，采用DC-DC变换器将一次电源转换为合适的直流二次电源提供给H桥驱动电路，作为磁棒线圈的供电电源[5].

如图2所示，磁棒线圈AB接在H桥驱动电路的两个输出端之间，V+是DC-DC变换器输出的直流二次母线.逻辑控制电路输出4个用于控制H桥的逻辑信号，控制上桥臂的F1、F2信号为PWM信号，控制下桥壁的F3、F4信号为直流电平信号，根据4个信号的状态，H桥驱动电路为磁棒提供不同方向及大小的激磁电流.

图3是逻辑控制电路输出的时序关系图，在t1时间段内，Q4处于常导通，Q1处于PWM工作方式，Q2、Q3截止.当F1、F4为高电平时，产生V+—Q1—A—B—Q4—GND的电流回路，当F1为低电平时，形成GND—D3—A—B—Q4—GND的续流回路.如果驱动策略不当，或计算机复位等偶发情况出现，可能会导致控制信号突然换向，换向时，F4由高电平转换为低电平，Q4截至，则会形成GND—D3—A—B—D2—V+的续流回路[6-7].图4是单根大磁矩磁力矩器换向时产生的高反电势及对V+充电的波形图，反电势可达129 V，V+从50 V的正常电压值被抬高到120 V，如果控制系统采用的所有磁力矩器(至少3根)同时换向，那么可将V+抬高至几百伏，使H桥电路中晶体管Q1和Q2的C极和E极之间的电压超出额定值，导致器件烧毁.

抑制大磁矩磁力矩器产生高反电势通常有两个途径，一是利用电容器或功率开关器件对磁力矩器释放的能量进行吸收，并形成泄放电路；二是在换向时增加一个大的延时，保持原有的续流回路，当磁棒电流降为零后，再改变激磁电流的方向.

由于大磁矩磁力矩器具有较大的电感量，高达几十H，最大工作电流为几百mA，如采用电容器则要求电容器的容值很大，达到mF量级，造成电容器体积庞大，因此该方法很不实用.利用功率开关器件是通过在V+和GND之间设计一个开关电路，当磁棒产生的反电势达到某一设计值时，开关电路导通，形成续流回路，在续流的过程中磁棒上存储的能量完全转移到开关电路的功率器件上，在功率器件上产生很大的瞬时功耗[9].该方法不仅需要采用大尺寸封装的功率器件，同时也带来了功率器件的散热问题.

换向时增加一个大的延时，可以不增加功率器件，并避免为此带来的散热问题，但是为了保证产品的可靠性，延时时间是根据最大的续流时间进行设定，为固定值.这导致了磁力矩器无论在输出多大磁矩时，换向时都会产生一个大的延时，大大降低了产品的适应性.

2 续流时间自动调节控制电路

本文提出了续流时间可自动调节的控制策略，用以抑制大磁矩磁力矩器高反电势的产生.续流时间自动调节是指换向时，控制电路可以根据换向前磁棒电流的大小产生相应的延时时间，当磁棒电流基本降为零后再改变输出磁矩的方向.

换向时，如仍想形成图2中GND—D3—A—B—Q4—GND的续流回路，那么需要对H桥Q4的截至进行延时控制，延时时间为

(1)

式中：i为t时刻的磁棒电流；I0为稳态时磁棒电流；τ为磁棒的时间常数.

通常当i下降到最大激磁电流的1%以内时，将不再利用续流时间自动调节电路进行续流，而是通过二次直流母线进行续流.根据能量守恒，磁力矩器释放的能量等于二次直流母线增加的能量

(2)

式中：L为磁棒的电感量；C为二次直流母线与地线之间的电容；U1为充电后的二次直流母线电压值；U0为二次直流母线电压初始值.

如果按照L=20 H，Imax(最大激磁电流)=300 mA，C=150 μF，U0=50 V进行计算，那么当i是Imax的1%时，U1=50.01，二次直流母线电压的变化量为0.02%，此时对二次直流母线充电的影响可以忽略.

从式(1)可以看出，换向时，根据换向前磁棒稳态电流值的不同，延时时间也是不同的.较以往采用固定的延时时间，大大提高了产品的适应性，及使用效率.

控制电路具体实现如图5所示，在H桥两个下桥臂开关管与地之间串联电流采样电阻R1和R2，产生两个采样电压Ns和Ps，Ns和Ps分别通过比较器与基准电压Vref进行比较.Vref控制在最大激磁电流的1%乘以采样电阻(R1或R2)阻值的范围内，比较器的输出信号再同方向信号(或是方向信号经过非门的反信号)经过或门输出K3和K4两个控制信号，方向信号由方向电路输出.K3和K4反向后分别和F1和F2两个信号经过与门后输出K1和K2两个控制信号，其中F1和F2两个信号是由逻辑控制电路输出，为PWM信号.产生的K1、K2、K3和K44个逻辑控制信号用于控制H桥电路的导通方向.

换向时逻辑信号关系图参见图6，t1时间段内，方向信号为高电平，Q1和Q4导通，Q2和Q3截止，形成由磁棒A—B的电流，当方向信号由高转为低时，Q1立即截止，Q3立即导通，Δt1时间段内Q4继续导通，Δt1时间段结束后Q4截止，Q2导通；t2时间段内，方向信号为低电平，Q2和Q3导通，Q1和Q4截止，形成由磁棒B—A的电流，当方向信号由低转为高时，Q2立即截止，Q4立即导通，Δt2时间段内Q3继续导通，Δt2时间段结束后Q3截止，Q1导通.Δt1和Δt2为续流时间，其时间长短取决于采样电压Ns和Ps的大小，既取决于换向前磁棒线圈电流的大小，实现续流时间的自动调节.

3 仿真分析与实验验证

采用Saber仿真软件对续流时间调节电路进行仿真.仿真模型中，磁力矩器的电感量设定为20 H，电阻值设定为160 Ω，直流母线的电压为50 V，磁力矩器的最大激磁电流约为300 mA.

仿真分析分为3种情况：

1)当磁力矩器输出最大磁矩时，控制信号换向.该模式下，设置方向信号周期为3 s，占空比为50%的脉冲信号，控制磁力矩器交替输出正向和负向最大磁矩.仿真结果如图7所示.

2)当磁力矩器输出任意磁矩时，控制信号换向.以输出最大磁矩的50%为例，该模式下，设置方向信号为周期为3 s，占空比为50%的脉冲信号，控制磁力矩器交替输出正向和负向最大磁矩的50%.仿真结果如图8所示.

3)当磁力矩器输出较小的磁矩时，控制信号频繁换向.控制系统的最小控制周期为250 ms，假设控制系统在每个控制周期都对磁力矩器进行换向，那么方向信号将每250 ms交替输出高低电平，这种情况下控制信号换向最为频繁.为此在该模式下，方向信号的周期为500 ms，设置占空比为50%，输出磁矩以最大磁矩的10%为例进行仿真.仿真结果参见图9，可以看出，输出激磁电流跟随方向信号的变化而变化，但相对于控制周期，磁力矩器本身的时间常数较大，为此在250 ms的控制周期内，输出磁矩无法达到输出最大磁矩的10%.

在仿真分析的基础上，进行了实验验证，搭建了实物测试平台，系统各参数与仿真验证中相同，并按照以上仿真分析中的3种情况对系统进行了测试，测试结果如图10～12所示.从测试结果可以看出，实物验证的结果与仿真分析的结果是相吻合的.

通过以上仿真分析及实物系统的测试结果可以看出，采用续流时间自动调节电路，磁力矩器在输出任意磁矩的工况下，控制信号换向，都不会对直流母线的电压值产生影响，激磁电流按照其自身的时间常数以指数形式减小，降到零，然后以指数形式反向增大到反向给定值.当输出磁矩在小幅值内频繁换向时，输出磁矩是否能达到给定值，取决于方向信号的换向频率与磁棒自身时间常数之间的关系，即使输出无达到给定值，仍可跟随方向信号的变化实现输出磁矩的连续变化，使用过程中，系统可以进行补偿或纠正.

4 结 论

本文针对大磁矩磁力矩器产生的高反电势对直流母线的影响进行了深入研究，分析了现有解决方案的弊端，提出了一种可以自动调节续流时间的磁棒线圈电流自然续流控制电路.该控制电路既可以满足磁棒大电流工作时电流换向过程中的充分续流，同时可以满足磁棒在小电流工作时快速换向需求.由于采用了自然续流的方式，磁棒存储的能量全部耗散在磁棒自身，避免了采用大功率的器件，明显降低磁力矩器控制电路的热设计难度.

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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

*国家自然科学基金资助项目(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，高级工程师，研究方向空间执行机构设计；孟海江(1973—)，男，高级工程师，研究方向空间执行机构设计；曹剑(1980—)，男，高级工程师，研究方向空间执行机构设计；徐勤超(1983—)，男，高级工程师，研究方向空间执行机构设计；展毅(1983—)，男，工程师，研究方向空间执行机构设计；张磊(1981—)，男，助理工程师，研究方向空间执行机构设计.