Architectural study, prototyping and testing of the control electronics for a Control Moment Gyroscope (CMG) actuator aimed to "earth observation" satellites application

Space missions for earth observation require agility to improve efficiency and performance. Agility in this context means a fast slew rate during attitude changes, with angular speeds up to 10 deg/s. A way to fulfil these requirements is the use of an actuation system based on Control Moment Gyroscope (CMG). The aim of the thesis is to design and experimentally validate the control electronics for a CMG system actuated by Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM), for small and medium-sized spacecraft. The system is based on the Field Oriented Control (FOC) which is an efficient method to control the torque as well as the speed of PMSM. In the first section, the thesis goes through modelling and design of nested control loops that control motor direct/quadrature currents and speed. This is done in the frequency domain (s-domain) using Matlab/Simulink. The motor reference speed is the input of the external (slower) loop, containing the speed controller. This block will generate the reference of the quadrature current, which provides the motor torque. The inner (faster) loop implements the control of the currents creating the stator flux. The outputs of this control block are the PWM reference signals which are used to drive the power inverter. Following the s-domain analysis the control is discretized (Z-domain) and the results of the simulation are presented. In the last section of the thesis, a laboratory setup is assembled consisting of microcontroller, absolute encoder and three-phase inverter to control the motor. The Simulink control algorithm is uploaded onto the microcontroller via Code Composer Studio. Afterwards, the process of tuning the PI controllers is described and, finally, the experimental motor drive is tested for different speed profiles, discussing the obtained results.

Negli ultimi anni lo sviluppo di piattaforme per l’osservazione della terra si è trovato nella necessità di far fronte a requisiti sempre più stringenti di precisione e agilità. L'agilità richiede una velocità di risposta rapida ai cambi di assetto, con velocità angolari fino a 10 gradi/s. Un modo per adempiere a tali requisiti è l’uso di un sistema di attuazione basato su Giroscopio a Controllo di Momento (Control Moment Gyroscope, CMG). Lo scopo della tesi è progettare e validare sperimentalmente l’elettronica di controllo per un sistema CMG azionato da Motori Sincroni a Magneti Permanenti (PMSM), per veicoli spaziali di piccole e medie dimensioni. Il sistema di azionamento si basa sul Controllo a Orientamento di Campo (FOC) che è riconosciuto come un metodo efficiente e ad alta affidabilità per controllare la coppia e la velocità dei PMSM. La prima parte del documento si occupa della modellizzazione e progettazione degli anelli di controllo annidati che controllano la corrente diretta/in quadratura e la velocità del motore, nel dominio della frequenza (dominio s) utilizzando Matlab/Simulink. La velocità di riferimento del motore è l'ingresso dell’anello più esterno e lento, contenente il regolatore PI di velocità. L'uscita del blocco rappresenta il valore desiderato della coppia generata che è proporzionale alla componente in quadratura della corrente statorica. L’anello interno, più veloce, regola la corrente che genera il flusso statorico. Le uscite di questo blocco costituiscono il riferimento delle tensioni statoriche nelle coordinate d, q e sono usate per calcolare i valori del duty cycle della modulazione di larghezza d'impulso (PWM) che genera il vettore di tensione richiesto sul motore. In seguito, l’intero controllo viene discretizzato (dominio zeta) per ottenere i coefficienti dei regolatori implementati realmente. Nell'ultima fase viene presentato il setup di laboratorio composto da microcontrollore, encoder e inverter trifase per il controllo del motore. L'algoritmo di controllo è caricato sul microcontrollore tramite Code Composer Studio. Infine, è stata condotta una campagna di test con diversi profili di velocità, i cui risultati vengono confrontati e discussi con le precedenti simulazioni.