CN100441483C - 一种集成化磁悬浮控制力矩陀螺控制平台 - Google Patents

Abstract

一种集成化磁悬浮控制力矩陀螺控制平台，对磁悬浮控制力矩陀螺系统进行集成化控制，其主要包括应用层、系统层、现场总线及控制层。应用层建立在系统层之上，主要完成信号的数据采集、复杂算法运算及监控功能，包括状态采集模块、监控模块、通讯模块和人机接口模块。系统层为应用层提供操作平台及实时基准，包括基于CORBA协议的应用平台、RTOS(实时操作系统)及嵌入式系统硬件。控制层完成对被控部件的电流环的控制，包括基于Nios II的FPGA运动控制卡、高速电机、框架电机、磁轴承及每个被控部件的伺服放大器。系统层则通过现场总线与控制层进行通讯。本发明主要应用于航空航天领域姿态控制执行机构。

Description

一种集成化磁悬浮控制力矩陀螺控制平台

技术领域

本发明涉及一种集成化磁悬浮控制力矩陀螺控制平台，主要应用于航空航天领域姿态控制系统。

背景技术

控制力矩陀螺是大型航天器和空间站上重要的姿态控制执行机构，磁悬浮控制力矩陀螺相对于传统的机械控制力矩陀螺具有大力矩输出、低振动等优点，所以在高精度大型卫星以及空间站上具有广阔的应用前景。

现有的磁悬浮控制力矩陀螺的伺服系统都是根据不同的部件进行集中控制，如对高速电机有一套控制器，对框架伺服电机有一套控制系统，对磁轴承有一套控制系统。因此被控部件之间无法进行有效的高速通讯，而且如果被控部件更改或者添加时就必须对相应的硬件做很大的改动。另外从经济性方面考虑，现有的系统如果要保证每个被控部件高精度控制必须使用比较先进的CPU，而利用高速高集成度的CPU只对一个部件进行控制会造成资源上很大的浪费。如果应用高速高集成度的CPU对多个部件进行控制，则存在CPU的运算能力不够的问题。因此现有技术存在被控部件之间无法进行有效的高速通讯、系统柔性差以及资源浪费的问题。本发明的高集成度的控制平台对整个陀螺系统进行分布式控制，采用一套控制系统，解决了被控部件之间无法进行有效的高速通讯的问题；采用组件技术的应用平台，增强了服务软件的柔性，为动态配置CORBA应用程序提供了更大的灵活性；采用基于NiosII的FPGA运动控制卡，避免了先进CPU的资源浪费的问题，简化了电路，降低了整个系统的功耗。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种集成化磁悬浮控制力矩陀螺控制平台。

本发明的技术解决方案是：一种集成化磁悬浮控制力矩陀螺控制平台，其特征在于：包括应用层、系统层、现场总线及控制层。应用层主要完成系统的状态采集及监控功能。系统层是整个平台的软件基础，依靠软件的操作为系统提供实时基准。控制层则是对被控对象进行底层的控制，并通过现场总线与系统层进行高速通讯。应用层包括状态采集模块、监控模块、通讯模块和人机接口模块。状态采集模块对被控对象的电流、速度、位置信号进行采集送给监控模块。监控模块接收所采集数据对被控对象进行控制并通过通讯模块与人机接口模块连接，人机接口模块接收外部命令对平台进行控制并对通讯模块传上来的数据进行显示。系统层包括基于CORBA协议的应用平台、RTOS(实时操作系统)及嵌入式系统硬件。RTOS(实时操作系统)通过修改Linux内核并在修改后的新内核中安装RTAI来建立，该系统建立在嵌入式系统硬件基础之上，基于CORBA协议的应用平台在RTOS(实时操作系统)上建立，在该应用平台之上完成高速电机速度环的闭环运算，框架电机速度环、位置环、自适应前馈、摩擦补偿及干扰观测器等复杂运算，磁轴承位置环及前馈的运算。控制层包括基于NiosII的FPGA运动控制卡及由高速电机、框架电机、磁轴承和每个被控部件对应的伺服放大器组成的被控对象。基于NiosII的FPGA运动控制卡在FPGA芯片上进行NiosII内核、DSP协处理器、定时器及相关构件的配置，可以完成整个磁悬浮控制力矩陀螺伺服系统电流环的闭环控制。

本发明的原理是：通过状态采集模块采集被控对象的电流、速度及位置信号。电流信号通过电流传感器进入FPGA运动控制卡，通过在NiosII下编程实现电流环的闭环运算。系统层上在嵌入式系统硬件上安装实时操作系统，并在该系统上建立基于CORBA协议的应用平台。在该平台完成高速电机速度环闭环算法，完成框架电机的速度环和位置环的闭环算法及前馈、干扰观测器的算法，完成磁轴承位置环的闭环算法及前馈算法。应用层主要完成整个系统的监控功能。系统层上的数据传送到应用层后，经过监控模块、通讯模块最终到达人机接口模块，操作者可以通过人机接口观察当前系统的状态并对其进行控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明建立了磁悬浮控制力矩陀螺的控制平台，把现有的各个部件的集中控制改为分布式控制，能够很容易处理各个部件之间的相互关系，对整个系统进行统一控制。

(2)本发明在嵌入式系统硬件上配置了RTOS(实时操作系统)，并在该操作系统上建立了基于CORBA协议的应用平台。其中RTOS(实时操作系统)建立在嵌入式系统硬件上，它是通过修改Linux内核并在修改后的新内核中安装RTAI来配置，在该操作系统上组建了基于CORBA协议的应用平台。通过在该平台上建立针对各个被控部件的组件，实现对各个部件的控制，由于采用先进的嵌入式系统硬件，提高了运算速度及运算精度。

(3)与现有的针对各个被控部件的控制器相比，本发明采用基于NiosII的FPGA运动控制卡，把数字逻辑处理与运算集成在一个单片系统中，不但能够解决当前集成控制系统运算速度与控制精度不高的问题而且避免了先进CPU的资源浪费问题，同时降低了整个系统的功耗。

总之，本发明的控制平台使整个控制系统更加集成化，减少了资源浪费，解决了各个部件之间通讯的问题。该设计简化了电路，降低了系统的功耗，提高了系统的柔性和抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明的控制平台的结构组成框图；

图2为本发明的基于CORBA协议的应用平台配置流程图；

图3为本发明的嵌入式系统硬件结构图；

图4为本发明的组件结构图；

图5为本发明的基于NiosII的FPGA运动控制卡主要功能模块结构图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例所采用的磁悬浮控制力矩陀螺的被控部件包括高速电机A、高速电机B、框架伺服电机、磁轴承A、磁轴承B及磁轴承Z。本发明包括应用层1、系统层2、现场总线3及控制层4。应用层1建立在系统层2上，系统层2则通过现场总线3与控制层4进行通讯。应用层1包括状态采集模块5、监控模块6、通讯模块7和人机接口模块8，主要完成传感器的数据采集、复杂算法运算及监控功能。状态采集模块5对高速电机A’、高速电机B’、框架电机的电流、速度、位置及磁轴承A、磁轴承B、磁轴承Z的电流和位置信号的数据进行采集送给监控模块6。监控模块6接收数据完成对高速电机A’、高速电机B’的速度环闭环算法，框架伺服电机的速度环和位置环的算法，磁轴承A、磁轴承B及磁轴承Z的位置环算法，并通过通讯模块7与人机接口模块8连接，人机接口模块8接收外部命令对系统进行控制并对通讯模块7传上来的数据进行显示。系统层2包括基于CORBA协议的应用平台9、RTOS(实时操作系统)10及嵌入式系统硬件11。首先在嵌入式系统硬件上安装Linux操作系统，通过修改Linux操作系统内核并在修改后的新内核中安装RTAI来建立RTOS(实时操作系统)10，基于CORBA协议的应用平台9在RTOS(实时操作系统)10上建立，在该应用平台9之上完成高速电机A’、高速电机B’的速度环的闭环运算，框架电机速度环、位置环、前馈、摩擦补偿及干扰观测器等复杂运算，磁轴承A、磁轴承B、磁轴承Z位置环及前馈的运算。控制层4包括基于NiosII的FPGA运动控制卡12及由高速电机A’、高速电机B’、框架伺服电机、磁轴承A、磁轴承B及磁轴承Z以及它们所对应的伺服放大器组成的被控对象13。基于NiosII的FPGA运动控制卡12在FPGA芯片上进行NiosII内核、DSP协处理器、定时器及相关构件的配置，通过采集电流传感器的电流信号可以完成整个磁悬浮控制力矩陀螺伺服系统电流环的闭环控制，采集位置的位置信号，并把该位置信号及经A/D转换的电流信号通过现场总线传送到嵌入式系统硬件，最后到达状态采集模块。

如图2所示，本发明的基于CORBA协议的应用平台在硬件基础上需要进行以下配置：准备工作→安装RTAI补丁→编译建立Linux新内核→安装RTAI→编译安装ACE→编译安装TAO→编译安装CIAO。通过以上步骤，TAO和CIAO在RTAI系统上安装完毕，整个系统不仅拥有符合POSIX 1003标准的实时内核作为操作系统，而且TAO所提供的CORBA总线不仅可以满足实时通讯需求，实现任务调度的可预测性，CIAO还可以提供对于组件规范的支持，满足了开发快速可重构数控系统功能模块的条件。

如图3所示，本发明的嵌入式系统硬件采用X86CPU系统，采用成熟的All-in-One主板，并支持PC104总线，为操作系统的建立及平台的搭建提供硬件支持。整个嵌入式系统包括按键、显示、电源、X86CPU主板。其中按键和显示属于人机接口模块，它们和电源及其它辅助性功能的模块是集成在X86CPU主板上。

如图4所示，为本发明的组件结构图。组件都是在基于CORBA协议的应用平台9上建立的。其中包括内部模块、外部模块、微核API、设备驱动、通讯系统、实时操作系统和嵌入式系统硬件。微核的任务包括通信系统和设备驱动系统。内部应用组件是微核的扩展，它由以下组件组成：①调度更新组件，主要提供控制器的虚拟时间，即控制器的时钟同步和时间基准，同时负责规定时刻的事件发送；②扫描器组件，是强实时组件，负责访问设备驱动，并将数据存放于具体应用的数据结构中；③执行器组件，也是强实时组件，主要将接收到的信息发送给高速电机、框架电机和磁轴承的硬件驱动。外部模块包括高速电机A控制组件、高速电机B控制组件、框架电机控制组件及磁轴承控制组件。外部模块的每个组件都是针对被控对象来组建的。

如图5所示，本发明的基于NiosII的FPGA运动控制卡，FPGA选用Altera公司的Stratix芯片，包括：32位NiosII内核、DSP协处理器、JTAG接口、定时器、BOOT ROM、片内FIFO、Avalon三态总线。计算机通过JTAG接口对FPGA进行调试编程，NiosII内核通过Avalon三态总线对SDRAM接口、位置传感器等外设进行控制，DSP协处理器在NiosII内核的控制下用于对大量数据进行处理，定时器、BOOT ROM、片内FIFO作为片内资源通过NiosII内核进行调度。利用SOPC Builder设计NiosII内核，用QuartusII进行设计输入、编译、编程设置及软件源程序设计，用GNUPro进行软件的连编和调试。其中FPGA系统需要配置DSP协处理器，通过定制一些传统的DSP运算指令或反复出现的计算密集型算法指令，来加速CPU的处理能力，其IP核通过DSP Builder来辅助实现。通过配置定时器以保证硬件处理信息的实时性。除片选信号外，A/D接口时序遵守SPI协议，选用了SOPC中相应的IP，对于片选信号，在系统中额外添加一个通用I/O口来控制。通过程序配置PWM，由光耦隔离后送给各个被控部件的伺服放大器。在FPGA中嵌入NiosII内核是工业技术发展的方向，将硬件设计软件化，而且此设计方法可以对硬件做全面细致的模拟仿真，减少了硬件设计的错误，有效降低了开发成本，而且该方法属于单片解决方案，从而简化电路结构，降低控制电路的功耗，提高电路的集成度、系统的可靠性和鲁棒性。

本发明虽为单个磁悬浮控制力矩陀螺控制平台，但也可以通过被控部件及系统层上的软件组件形成磁悬浮控制力矩陀螺群的控制平台。作为一种通用的开发式的数控平台，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改软件来灵活方便地实现其功能。

Claims (4)

1、一种集成化磁悬浮控制力矩陀螺控制平台，其特征在于：包括应用层(1)、系统层(2)、现场总线(3)及控制层(4)。应用层(1)包括状态采集模块(5)、监控模块(6)、通讯模块(7)和人机接口模块(8)；应用层(1)建立在系统层(2)之上，主要完成信号的数据采集、复杂算法运算及监控功能；系统层(2)包括基于CORBA协议的应用平台(9)、实时操作系统RTOS(10)及嵌入式系统硬件(11)，为应用层(1)提供操作平台及实时基准，并通过现场总线(3)与控制层(4)进行通讯，交换控制环节中的过程量；控制层(4)包括基于Nios II的FPGA运动控制卡(12)及由高速电机、框架电机、磁轴承以及它们所对应的伺服放大器组成的被控对象(13)，完成对被控对象的电流环的控制。

2、根据权利要求1所述的一种集成化磁悬浮控制力矩陀螺控制平台，其特征在于：所述应用层(1)中的状态采集模块(5)对被控对象(13)的电流、速度、位置进行采集并送入监控模块(6)，监控模块(6)接收所采集的数据对被控对象进行控制并通过通讯模块(7)与人机接口模块(8)连接，人机接口模块(8)接收外部命令对控制平台进行控制并对通讯模块(7)传上来的电流、速度、位置等信号进行显示。

3、根据权利要求1所述的一种集成化磁悬浮控制力矩陀螺控制平台，其特征在于：所述系统层(2)中的实时操作系统RTOS(10)建立在嵌入式系统硬件(11)上，通过修改Linux内核并在修改后的新内核中安装RTAI来配置，在该操作系统上组建了基于CORBA协议的应用平台(9)，在该应用平台之上完成高速电机的速度环的闭环运算，框架电机速度环、位置环、前馈、摩擦补偿及干扰观测器等复杂运算，磁轴承位置环及前馈的运算。

4、根据权利要求1所述的一种集成化磁悬浮控制力矩陀螺控制平台，其特征在于：所述控制层(4)中的基于Nios II的FPGA运动控制卡(12)在一片FPGA芯片上进行Nios II内核、DSP协处理器、定时器及相关构件的配置，可以完成整个磁悬浮控制力矩陀螺伺服系统电流环的闭环控制。

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