[發(fā)明專利]一種基于FPGA單處理器的超高精度微波成像儀掃描控制系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710055367.7
• 申請(qǐng)日: 2017-01-24
• 公開（公告）號(hào): CN106849768A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許雄;王俊;黃瀟嶸
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海宇航系統(tǒng)工程研究所
• 主分類號(hào): H02P6/08
• 分類號(hào): H02P6/08;H02P27/08
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司31236
• 代理人: 胡晶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航天中微波成像儀掃描技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA單處理器的超高精度微波成像儀掃描控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

微波成像儀是風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星的重要有效載荷，負(fù)責(zé)探測(cè)全球大氣中的溫度和濕度分布，對(duì)中長期天氣預(yù)報(bào)具有重要作用。其中的關(guān)鍵核心部件為掃描驅(qū)動(dòng)裝置，用以對(duì)地精確掃描。目前國內(nèi)在高可靠長壽命掃描驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)研究方面仍處于起步階段，必須依賴國外引進(jìn)來解決。其研制經(jīng)費(fèi)高達(dá)幾千萬元不說，還因國外高技術(shù)的封鎖不斷加劇，成套引進(jìn)已面臨著從價(jià)格高昂、時(shí)間長變?yōu)榻\(yùn)的局面。而此部件是風(fēng)云系列后續(xù)星和軍用氣象衛(wèi)星微波遙感有效載荷的必備部件，若不進(jìn)行國產(chǎn)化研究，將嚴(yán)重制約我國在研和預(yù)研衛(wèi)星型號(hào)任務(wù)的完成。因此必須對(duì)掃描驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行國產(chǎn)化研制，減少對(duì)國外的技術(shù)依賴，降低產(chǎn)品成本，保障型號(hào)任務(wù)的持續(xù)成功。其中的最關(guān)鍵技術(shù)就包括速度波動(dòng)指標(biāo)要求為萬分之二的超高精度掃描控制方法及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的檢索，發(fā)現(xiàn)有以下現(xiàn)有技術(shù)：一、申請(qǐng)?zhí)枮?00910082348.9，公開號(hào)為CN 101865994 A，名稱為“一種基于單片機(jī)的微波輻射計(jì)的掃描控制裝置及控制方法”，該技術(shù)給出了一種基于單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的微波輻射計(jì)的掃描控制系統(tǒng)，但是該技術(shù)采用傳統(tǒng)的單片機(jī)的控制方式，驅(qū)動(dòng)控制的是步進(jìn)電機(jī)，掃描控制精度不高；二、申請(qǐng)?zhí)枮?00920107781.9，公開號(hào)為CN 201589858 U，名稱為“采用FPGA技術(shù)的星載微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)處理及掃描控制系統(tǒng)”，該技術(shù)采用了FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)星載微波輻射計(jì)的控制電路部分，增加控制電路的集成性，體積小和功耗低，但該控制系統(tǒng)并不涉及高性能的伺服閉環(huán)計(jì)算、永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)等伺服功能；三、申請(qǐng)?zhí)枮?01410438343.6，公開號(hào)為CN 104199475 A，名稱為“一種在空間應(yīng)用的掃描驅(qū)動(dòng)裝置”，該技術(shù)提供了一種在空間應(yīng)用的掃描驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)，并不涉及掃描驅(qū)動(dòng)裝置的高精度掃描控制。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)微波成像儀在低速度條件下實(shí)現(xiàn)超高精度的掃描速度穩(wěn)定度這一難題，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于FPGA單處理器的超高精度微波成像儀掃描控制系統(tǒng)，包括主控制系統(tǒng)和備份控制系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)與備份控制系統(tǒng)互為鏡像，主控制系統(tǒng)與備份控制系統(tǒng)由中央處理器切換控制，且備份控制系統(tǒng)用于冷備份；

主控制系統(tǒng)包括FPGA單處理器、電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)和傳感器接口模塊；

FPGA單處理器通過電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊采集電機(jī)的電流、通過傳感器接口模塊采集電機(jī)的角度信息，并根據(jù)電流對(duì)電機(jī)進(jìn)行電流閉環(huán)控制，根據(jù)角度信息對(duì)電機(jī)進(jìn)行角速度閉環(huán)控制，通過電流閉環(huán)控制和角速度閉環(huán)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)微波成像儀的天線以額定掃描周期旋轉(zhuǎn)。

一種實(shí)施例中，電流閉環(huán)控制包括：滯環(huán)比較控制器、Park反變換、SVPWM模塊、電壓源逆變器和Clarke&Park變換；

滯環(huán)比較控制器、Park反變換、SVPWM模塊、電壓源逆變器和Clarke&Park變換首尾順次耦合連接。

一種實(shí)施例中，角速度閉環(huán)控制包括PI控制器和角速度估計(jì)模塊；

PI控制器的輸出端耦合至電流閉環(huán)控制的輸入端，電流閉環(huán)控制的輸出端耦合至電機(jī)，電機(jī)的輸出端耦合至角速度估計(jì)模塊的輸入端，角速度估計(jì)模塊的輸出端耦合至PI控制器。

一種實(shí)施例中，角速度估計(jì)模塊包括二階跟蹤微分器，二階跟蹤微分器的函數(shù)為：

其中，R為二階跟蹤微分器的參數(shù)，θ(t)為電機(jī)實(shí)時(shí)反饋的角度信息，x₁為估計(jì)的角度信息，x₂為估計(jì)的電機(jī)掃描角速度。一種實(shí)施例中，二階跟蹤微分器的函數(shù)轉(zhuǎn)換成線性飽和函數(shù)為：

其中，δ為二階跟蹤微分器的另一參數(shù)，且.

一種實(shí)施例中，主控制系統(tǒng)還包括與FPGA單處理器通信的RS232串口通信模塊，RS232串口通信模塊用于采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通訊接口接收中央處理器的遙控指令，并上傳至FPGA單處理器，同時(shí)，還用于將FPGA單處理器的遙測(cè)信息上傳至中央處理器。

一種實(shí)施例中，主控制系統(tǒng)還包括與FPGA單處理器通信的離散信號(hào)接口模塊，離散信號(hào)接口模塊包括要求送數(shù)接收端、公共接地端、掃描起始脈沖發(fā)送端和加電狀態(tài)發(fā)送端。

一種實(shí)施例中，主控制系統(tǒng)還包括電源轉(zhuǎn)換模塊，電源轉(zhuǎn)換模塊包括輸出三個(gè)不同的電壓輸出端。