一种双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统的制作方法.docx

一种双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统的制作方法一种双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统的制作方法本发明涉及一种双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统，其主要包括DSP及其外围模块、FPGA模块、接口电路、信号调理电路、功率放大模块、RS422通讯接口模块该控制系统通过接口电路获取信号输出给DSP，DSP根据控制算法生成磁轴承、高速电机和框架系统控制量输出给FPGA模块，FPGA根据控制量进行PWM调制，输出PWM信号给功放电路，从而实现磁轴承、高速电机和框架系统的集成控制此外，RS422通讯接口模块实现DSP与上位机之间的实时通信，进行控制参数的调整以及运行状态的监测本发明实现了磁悬浮双框架控制力矩陀螺的高精度高可靠集成控制，有效地降低了控制系统的体积、质量和成本专利说明】一种双框架磁悬淳变速控制力矩陀螺集成数字控制系统【技术领域】 [0001] 本发明涉及一种双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统，用于对双框 架磁悬浮变速控制力矩陀螺的磁轴承、高速电机和框架系统的集成化控制，特别适用于高 集成、1?可罪、1?精度等应用场合背景技术】 [0002] 双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺结合了双框架控制力矩陀螺和飞轮的特点，不仅 可以通过改变转子角动量方向（转动框架）输出大力矩，还可以改变转子转速输出高精度 力矩，单个双框架磁悬浮变速控制控制力矩陀螺可输出三轴控制力矩，实现航天器的三轴 姿态控制，可满足航天器姿态控制系统对执行机构体积小、功耗小、质量轻的要求，是我国 新一代快速机动、快速稳定卫星平台的理想执行机构。

[0003] 现有的磁悬浮控制力矩陀螺控制系统发挥了数字控制系统能够实现复杂控制算 法，能够满足高精度控制要求、参数修改方便及适合模块化设计等优点，相对于模拟控制系 统其体积大大缩小，功耗低，这对于航天应用非常具有吸引力 [0004] 目前，磁悬浮控制力矩陀螺系统大多采用三套分立的控制系统对磁轴承、高速电 机和框架系统分别进行控制分立控制的优点是控制器设计简单；缺点是系统集成度低，体 积大，功耗大，独立系统相互之间、系统与上位机之间通信复杂，信息通过的中间环节太多 此外，磁轴承、高速电机和框架系统都需要高速转子的转速信号，如果采用三个分立的控制 系统，转子的转速信号需要分别传输给三个分立系统，造成信号传输和硬件电路的复杂将 磁轴承、高速电机和框架系统集成控制，对减小磁悬浮控制力矩陀螺控制系统体积、降低系 统功耗、提高系统可靠性、提高力矩输出精度有重要意义发明内容】 [0005] 本发明的技术解决问题是：克服现有双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统采用分 立控制系统而引起的信号传输和硬件电路复杂的缺点，将磁轴承、高速电机和框架系统集 成控制，在提高控制系统集成度、可靠性的同时，降低系统体积、功耗和质量。

[0006] 本发明的技术解决方案是：本发明将磁轴承系统、高速电机系统和框架系统集成 控制，以数字信号处理器DSP TMS320C6701为主运算控制器，充分发挥其强大运算能力，完 成复杂控制算法；以FPGA为逻辑运算核心，利用其逻辑控制强大、管脚丰富等优势，为DSP 扩展可用资源，负责DSP和外部设备的数据接口以及实现对外部设备的时序控制本发明 的集成数字控制系统由DSP及其外围模块、FPGA模块、信号调理电路、接口电路、功率放大 模块、RS422通讯接口模块组成，其中 ： [0007] ① DSP及其外围模块：和FPGA模块相连，包括DSP、晶振、看门狗电路及外部存储 器ROMDSP接收FPGA模块输出数字信号进行磁轴承、高速电机和框架系统的控制算法实 现，并分别输出磁轴承、高速电机和框架系统的控制量给FPGA模块；晶振产生的时钟信号 作为DSP系统的系统时钟，DSP系统并将时钟信号发送给FPGA模块作为FPGA的触发时钟； 看门狗电路主要实现DSP系统非正常工作状态下的复位 [0008] ②FPGA模块（2):和DSP及其外围模块、接口电路、功率放大模块、RS422通讯接 口模块、高速电机霍尔传感器相连，主要负责DSP和外部设备的数据接口以及实现对外部 设备的时序控制。

DSP将时钟信号发送给FPGA模块作为FPGA的触发时钟FPGA模块输出 模拟开关控制信号、AD采样控制信号和轴角解码读控制信号给接口电路，并读取接口电路 输出的AD采样数据和框架角位置信号，发送给DSP及其外围模块DSP及其外围模块获得 AD采样数据和框架角位置信号后，根据控制算法计算出磁轴承、高速电机和框架系统控制 量发送给FPGA模块FPGA模块根据获得的磁轴承、高速电机和框架控制量分别进行PWM调 制，输出磁轴承、高速电机和框架系统的PWM控制信号及PWM方向信号给功率放大模块产生 磁轴承、高速电机和框架系统的控制电流，实现磁轴承、高速电机和框架系统的控制FPGA 模块通过RS422通讯接口模块从上位机获取磁轴承、高速电机和框架系统的控制参数，并 发送给DSP及其外围模块，实现控制参数的更新FPGA模块从DSP及其外围模块获取整个系 统工作过程中的磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速转子转速、高速电机绕组电流、内 外框架角速率及框架电机绕组电流等重要参数，通过RS422通讯接口模块发送给上位机， 实现系统工作过程中重要参数的监测 [0009] ③信号调理电路：和接口电路相连，主要对磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流 信号、高速电机绕组电流信号和内外框架力矩电机绕组电流信号进行调理，使其输出范围 在AD芯片采样范围之内；对旋转变压器检测得到的内外框架粗机、精机角位置信号进行调 理，使其输出范围在轴角解码芯片AD2S82A的输入范围之内。

[0010] ④接口电路：和信号调理电路、FPGA模块相连，包括模拟开关⑶4067、AD采样芯 片AD1672和轴角解码芯片AD2S82A，主要将传感器输出的信号进行模数转换输出给FPGA模 块，以实现控制算法模拟开关CD4067在FPGA输出的模拟开关控制信号控制下选通不同 通道的模拟信号（磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流信号、高速电机绕组电流信号和 内外框架力矩电机绕组电流信号），并输出给AD采样芯片AD1672 ;AD1672在AD采样控制信 号的控制下对模拟开关选通的模拟信号进行模数转换，并将转换完的数字信号输出给FPGA 模块；轴角解码芯片AD2S82A(7)在FPGA输出的控制信号控制下将调理后的粗、精机角位置 信号进行模数转换，输出给FPGA模块 [0011] ⑤功率放大模块：和FPGA模块、双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺本体相连，包括 磁轴承功放电路、高速电机功放电路和框架电机功放电路，接收FPGA模块输出的PWM控制 信号及PWM方向信号，分别生成磁轴承、高速电机和框架系统所需要的控制电流，将其输入 到双框架磁悬浮控制力矩陀螺，以实现磁轴承、高速电机和框架系统的控制。

[0012] ⑥RS422通讯接口模块：和FPGA模块相连，通过FPGA模块的数据中转实现DSP和 上位机之间的通信，进行磁轴承控制参数、电机控制参数、框架控制参数、转子转速和框架 转速的调整，以及监控整个系统工作过程中的磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速 转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角速率及框架电机绕组电流等重要参数四路差分 总线传送芯片DS26C31和四路差分总线接收芯片DS26C32分别实现RS422的差分输入和输 出 [0013] 此外，双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统的软件实现包括DSP程 序设计、FPGA程序设计及上位机通信程序设计三部分 [0014] 本发明的原理是：双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统由DSP及其 外围模块、FPGA模块、信号调理电路、接口电路、功率放大模块、RS422通讯接口模块组成 信号调理电路对磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流信号、高速电机绕组电流信号、内外 框架力矩电机绕组电流信号和内外框架角位置信号进行调理；模数转换芯片AD1672和轴 角解码芯片AD2S82A分别对信号调理电路输出的信号进行模数转换，并通过FPGA模块输出 给DSP ;FPGA模块直接采集高速电机转速信号，经过滤波处理后输出给DSP ;DSP实现磁轴 承、高速电机和框架系统的复杂控制算法，然后分别输出磁轴承、高速电机和框架系统的控 制量给FPGA，FPGA模块进行PWM调制，输出PWM控制信号给功放电路，实现磁轴承、高速电 机和内外框架系统的控制。

RS422通讯接口模块实现DSP和上位机之间的通信，进行磁轴承 控制参数、高速电机控制参数、框架控制参数、转子转速和框架转速的调整，以及监控 整个系统工作过程中的磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速转子转速、高速电机绕组电 流、内外框架角速率及框架电机绕组电流等重要参数 [0015] 本发明与现有技术相比的优点在于：本发明将磁轴承系统、高速电机系统、内外框 架系统进行集成化控制，采用DSP+FPGA的控制架构，数字信号处理器DSP实现复杂控制算 法，FPGA负责DSP和外部设备的数据接口以及实现对外部设备的时序控制系统结构紧凑、 电路结构简单，在软件方面节省了重复性转子转速计算程序、模拟开关控制程序、AD采样控 制程序、PWM生成程序和RS422串口通信程序，在提高控制系统集成度、可靠性的同时，降低 系统体积、功耗和质量专利附图】【附图说明】 [0016] 图1为本发明的系统硬件组成框图； [0017] 图2为本发明的系统软件实现框图； [0018] 图3为DSP程序设计流程图； [0019] 图4为FPGA程序设计框图；【具体实施方式】 [0020] 双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺在系统上由磁轴承、高速电机和内外框架组成， 不仅可以通过改变磁悬浮转子角动量方向（转动框架）输出大力矩，还可以改变转子转速 输出高精度力矩。

单个双框架磁悬浮变速控制控制力矩陀螺可输出三轴控制力矩，实现航 天器的三轴姿态控制 [0021] 如图1所示的集成数字控制系统由DSP及其外围模块、FPGA模块、信号调理电路、 接口电路、功率放大模块、RS422通讯接口模块组成，其中 ： [0022] ① DSP及其外围模块1 :和FPGA模块2相连，包括数字信号处理器DSP、晶振、看门 狗电路及外部存储器ROMDSP接收FPGA模块2输出数字信号进行磁轴承、高速电机和框 架系统的控制算法实现，并分别输出磁轴承、高速电机和框架系统的控制量给FPGA模块2 ; 晶振产生的时钟信号作为DSP的系统时钟，DSP并将时钟信号发送给FPGA模块2作为FPGA 的触发时钟；看门狗电路主要实现DSP非正常工作状态下的复位；外部存储器ROM实现DSP 程序存储 [0023] ②FPGA模块2 :和DSP及其外围模块1、接口电路4、功率放大模块8、RS422通讯 接口模块12、高速电机霍尔传感器相连，主要负责DSP和外部设备的数据接口以及实现对 外部设备的时序控制DSP将时钟信号发送给FPGA模块2作为FPGA的触发时钟FPGA模 块2输出模拟开关控制信号、AD采样控制信号和轴角解码读控制信号给接口电路4,并读取 接口电路4输出的AD采样数据和框架角位置信号，发送给DSP及其外围模块1。

DSP及其 外围模块1获得AD采样数据和框架角位置信号后，根据控制算法计算出磁轴承、高速电机 和框架控制量发送给FPGA模块2FPGA模块2根据获得的磁轴承、高速电机和框架控制量 分别进行PWM调制，输出磁轴承、高速电机和框架系统的PWM控制信号及PWM方向信号给功 率放大模块8产生磁轴承、高速电机和框架系统的控制电流，实现磁轴承、高速电机和框架 系统的控制FPGA模块2通过RS422通讯接口模块12从上位机获取磁。