[發明專利]一種集成化雙框架磁懸浮控制力矩陀螺磁軸承控制系統

有效

• 申請號: 200910085711.2
• 申請日: 2009-05-27
• 公開（公告）號: CN101599670A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發明（設計）人: 房建成;王英廣;丁力;鄭世強;陳冬;王燦
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H02K7/09
• 分類號: H02K7/09;H02N15/00;F16C32/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 成金玉;盧 紀

技術領域

一種集成化雙框架磁懸浮控制力矩陀螺磁軸承控制系統，用于雙框架磁懸浮控制力矩陀螺轉子的高精度懸浮控制，能夠實現與框架控制系統之間進行快速、無干擾的信號傳輸，將控制參數進行高速數據采集和在線監控，并且在線修改關鍵變量值，適用于高精度、高集成度的伺服機構控制系統。

背景技術

控制力矩陀螺(Control?Moment?Gyroscope，CMG)是一類用于航天器姿態控制的執行機構。相比傳統的噴氣推力器、動量輪等姿態控制機構，控制力矩陀螺具有控制范圍大、精度高、輸出力矩大、只需要電能即可工作等顯著優點，因此被應用于空間站等大型航天器。雙框架磁懸浮控制力矩陀螺(Double?Gimbal?Magnetic?Suspended?CMG，DGMSCMG)具有磁懸浮的無接觸、無摩擦、無需潤滑、高精度、轉子轉速高、長壽命等優點。而且雙框架控制力矩陀螺相對單框架力矩陀螺可以繞2個框架軸旋轉，增加了運動自由度，進入奇異狀態(即無法產生輸出力矩的框架角組合)的可能性大大降低，簡化了控制律的設計，是航天器執行機構的一個重要的發展方向。

現有的磁軸承控制系統缺乏與框架控制系統之間的通訊接口，模塊單一，功能不全面。磁軸承為有間隙的彈性支承方式，CMG的框架轉動時，對于陀螺轉子的作用等效于一個廣義擾動力矩，轉子徑向位移將顯著增大，不僅威脅磁懸浮系統穩定，且降低了輸出力矩的精度。DGMSCMG有兩個框架轉動，其耦合程度加劇，對磁軸承而言多了一個擾動，更需要將框架轉動的位置和速度值傳送給磁軸承控制系統，使磁軸承控制器能夠根據框架運動進行預先補償。同時，框架控制系統和磁軸承控制系統是兩套不同的數字電路和模擬電路相結合的系統，必須設計可靠的通訊接口，保證兩者之間不會產生信號干擾，保持框架信號的完整性。

現有的磁軸承控制系統沒有集成數據采集和在線監控功能，若需要實現數據采集和在線監控功能，需要添置外部的數據采集器，進行模數轉換之后進入上位機。其體積龐大、造價昂貴且使用不便，不利于設備實驗和現場調試。磁軸承控制系統所關心的位移和電流值有對應的閾值，只要求在此范圍內的高精度；而外部數據采集器是通用型的，為適應各種測試環境，對應的模數轉換范圍比較寬，浪費采集通道的精度資源，即產生了對數據采集做優化配置的需求。此外，外部數據采集器不能記錄控制器運算過程中的數字量，而這些控制量結合陀螺轉子運動狀態的分析將有利于改進控制器，提高控制器的性能指標。

在線修改關鍵控制變量值是設計控制系統的重要環節，其作用在于能根據當前磁軸承的工作狀態，及時調整和修改基本控制器的控制參數、交叉反饋通道的比例系數，更加方便實驗含有不同控制參數的控制器，同時靈活的調試增強了磁軸承的穩定性。現有的控制系統沒有提出一整套對控制過程中的參數進行在線調試和修改的解決方案。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有的磁軸承控制系統、數據采集系統和在線監控相分離以及內外框架轉動時軸承穩定性變差的缺點，提供一種集控制、通訊、數據采集和在線監控于一體的高速、高精度雙框架磁懸浮控制力矩陀螺磁軸承控制系統。

本發明的技術解決方案是：一種集成化雙框架磁懸浮控制力矩陀螺磁軸承控制系統，由控制電路、采集電路和通訊接口、上位機構成，其中，控制電路包括DSP模塊、FPGA模塊、Flash、SRAM、轉速測量模塊和晶振；采集電路包括D/A模塊、A/D模塊、雙框架轉速/位置接口電路、位移傳感器接口電路和電流傳感器接口電路；通訊接口包括USB接口、RS232和SPI接口：

在控制電路中：FPGA模塊接收A/D模塊的電流值、位移值、內外兩個框架各自的轉速和位置值，通過總線與DSP模塊連接，交換控制過程中上述各數據量；接收轉速測量模塊對霍爾傳感器傳送的轉速信號經過濾波整形后的轉速值，同時向D/A模塊發送磁軸承的控制量；FPGA模塊與FLASH和SRAM之間通過數據和地址總線連接，交換需要存儲的數據；FPGA模塊接收由DSP模塊對晶振倍頻后的時鐘信號，并提供時鐘源給A/D模塊；DSP模塊根據FPGA模塊送來的電流值、位移值、轉速值、內外兩個框架各自的轉速和位置值，分別采用基本控制算法、交叉反饋算法和前饋控制算法計算總控制量，并傳回給FPGA模塊，同時根據需要在線修改上述各控制算法中的參數；FPGA模塊根據總控制量輸出控制電壓的PWM信號，驅動功放模塊產生控制電流，實現陀螺轉子穩定懸浮；