CN100487611C - 一种高精度低功耗磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统数字控制装置 - Google Patents

Abstract

一种高精度低功耗磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统数字控制装置，对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统进行高精度控制，其主要包括CPU模块、模/数转换模块、功放模块、通讯模块。CPU模块通过接口电路获取力矩电机的电流、转速和位置信号等数据，通过控制算法进行运算生成控制量对PWM进行调制，将具有一定占空比的PWM信号经隔离后送至功率放大模块以驱动电机。本发明实现了控制力矩陀螺框架伺服系统全数字化、集成化设计，减小了控制器的体积，增强了控制器的柔性，并应用先进的控制算法实现了伺服系统的高精度控制。

Description

一种高精度低功耗磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统数字控制装置

技术领域

本发明涉及一种高精度低功耗磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统数字控制装置，用于磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统的高精度控制，特别适用于高精度、低功耗的精密航天器控制执行机构。

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上具有广阔的应用前景。另外磁轴承支承无摩擦，避免了机械轴承本身由于摩擦带来的磨损，其可靠性取决于控制系统电子元器件的可靠程度，因此相对于机械轴承支承的控制力矩陀螺其具有更长的使用寿命。

框架伺服系统的速率输出精度决定磁悬浮控制力矩陀螺力矩的输出精度，因此框架伺服系统的高精度控制器是其必须突破的关键技术。框架伺服系统控制器分为模拟控制器和数字控制器两大类。由于模拟控制器功耗大、精度低、柔性差，不能满足磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统高精度控制的需要，因此数字控制器是必然选择。数字控制器的优点表现在：功耗小，能够在线实时调节参数，能够实现复杂的控制器算法，能够满足高精度控制的要求。另外数字控制器很容易实现集成化，模块化设计，相对于模拟控制器其体积大大缩小，而且功耗明显降低，这对于航天应用非常有吸引力。另外系统的更新换代由于只涉及软件而更为容易。但目前现有的伺服系统数字控制装置均采用的是单片机控制系统或DSP控制系统，其运算速度及控制精度方面还不能完全满足磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统的要求。采用嵌入Nios处理器的FPGA系统，把数字逻辑处理与运算集成在一个单片系统中，不但能够解决当前单片机系统及DSP控制系统运算速度与控制精度不高的问题而且降低了功耗。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种高精度、抗干扰能力强、体积小、重量轻、功耗低的控制力矩陀螺框架伺服系统数字控制装置。

本发明的技术解决方案是：一种高精度低功耗磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统数字控制装置，其特征在于：包括基于Nios处理器的FPGA系统、高速光耦隔离电路、驱动及功率放大电路、力矩电机、电流传感器接口电路、角位置传感器、测速电机、A/D转换模块，其中A/D转换模块包括调偏电路、滤波电路及A/D转换电路。

利用电流传感器采集力矩电机绕组的电流模拟信号，经过电流传感器转换成模拟量电压信号，然后通过调偏电路及有源滤波电路之后转换成A/D转换电路允许的输入模拟量范围，转换为数字量后进入FPGA系统；同样角速度传感器采集力矩电机的角速度模拟信号，经过调偏电路及有源滤波电路转换成A/D转换电路允许的输入模拟量范围，转换为数字量后进入FPGA系统；角位置传感器采集力矩电机的数字化角位置信号，经过位置传感器接口电路转换成FPGA系统输入范围内的电压信号；同时FPGA系统同时采集上述的角位置、转速、电机绕组电流的数字信号，在内部同时对伺服系统电流、速率和位置进行闭环控制，根据控制算法进行运算生成控制量对PWM占空比进行调节，然后将调制完成的PWM信号经高速光耦隔离电路、驱动及功率放大电路后生成力矩电机所需的控制电流，从而实现对伺服系统的高精度控制。

此外，FPGA系统上接有外扩RAM及RS232接口。调试过程中存储数据通过串口把数据送到上位机，可以实现对被控对象的建模。另外控制器通过串口与上位机的通讯，可以在上位机实时显示当前角速度及角位置的值，上位机也可以通过串口对控制器发送命令来实现对力矩电机的控制。

本发明的原理是：通过电流传感器、角速率传感器、角位置传感器检测力矩电机的电流、转速和角位置，经过转换电路把信号转换为FPGA系统允许的数字量信号进入FPGA系统。在FPGA内配置Nios嵌入式处理器，通过在Nios下编程实现电流环、速率环、位置环的三环闭环控制方式。而在FPGA下配置DSP协处理器，可通过该处理器实现复杂的信号处理方法。通过对FPGA硬件的设置，实现PWM信号的输出。然后将经过控制算法计算的控制量以PWM占空比的方式送出，经高速光耦送到驱动及功率放大电路生成框架直流伺服电机所需要的电流。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用了Altera的FPGA芯片可以嵌入Nios处理器，可以配置DSP协处理器，能够在很短的时间内完成大量的运算，而且利用FPGA具有处理数字逻辑很强的能力构建了功能强、运算速度快、功耗低的控制系统。

(2)与现存的数字控制装置相比，本发明采用一片FPGA芯片通过嵌入Nios处理器完成力矩电机的高精度控制，加快了运算速度，提高了运算精度。特别适用于对伺服精度要求很高的的领域。

(3)与模拟控制器相比本发明所采用的电路结构省去了模拟电路中的PWM产生电路。通过FPGA生成PWM信号，这种设计简化了电路、提高了集成度、加快了系统响应速度、提高了系统抗干扰能力。

总之，本发明的这种电路结构使控制器更加集成化，加快了控制器的运算速度，提高了控制器的运算精度。通过将位置环、速率环和电流环的控制算法在系统内的运行，实现了力矩电机的全数字化控制。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为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的控制原理框图；

图3为本发明的FPGA系统电路框图；

图4为本发明高速光耦隔离电路图；

图5为本发明的驱动与功率放大模块电路图；

图6为本发明的电流信号检测接口电路图；

图7为本发明的转速信号检测接口电路图；

图8为为本发明的角位置信号检测接口电路图；

图9本发明的A/D转换电路图；

图10为本发明的Nios处理器中控制框图；

图11为本发明的Nios处理器中的程序流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明包括FPGA模块6、驱动及功率放大模块2，通讯模块5、电流传感器10、测速电机11、A/D转换模块9、角位置传感器8及角位置传感器接口7构成。力矩电机绕组电流由电流传感器电路6测得，经过A/D转换模块的偏置电路、滤波电路9及A/D转换电路转化为数字量后进入FPGA系统，在Nios处理器中经过电流环控制器形成电流环闭环。力矩电机角速度经过速率传感器形成模拟量电压，经过A/D转换模块的偏置电路、滤波电路及A/D转换电路9转化为数字量后进入FPGA系统在Nios处理器中经过速度环控制器形成速度环闭环。力矩电机角位置经过角位置传感器8，然后通过位置传感器接口电路7连接到FPGA系统6，在Nios处理器中通过位置控制算法形成位置环闭环，从而完成了力矩电机的三环控制。经过控制算法得出的控制量转化为PWM的占空比经过FPGA系统6的PWM接口送到高速光耦电路3，经过隔离的信号送给驱动及功率放大电路2后形成控制电流送给被控的力矩电机1。本发明还设计有RS232接口4，可以进行控制器与上位机之间的通讯，通过上位机完成角位置和角速率的任意给定、控制参数的在线修改以及对伺服电机工作状态的实时显示和监控。

如图3所示，本发明的FPGA系统6采用Altera公司的Cyclone II芯片，包括：NiosCPU、DSP协处理器、JTAG接口、UART接口、定时器、BOOT ROM、片内FIFO、Avalon三态总线。上位机4通过JTAG接口对FPGA进行调试编程，NiosCPU通过Avalon三态总线对UART接口等外设进行控制，DSP协处理器在NiosCPU的控制下用于对大量数据进行处理，定时器、BOOTROM、片内FIFO作为片内资源通过NiosCPU进行调度。该系统分为硬件设计和软件设计，其中硬件设计包括：利用SOPC Builder设计Nios系统，用QuartusII进行设计输入、编译和编程设置。软件设计包括：用Quartus II进行软件源程序设计，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。配置A/D接口，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。在FPGA中嵌入Nios处理器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。

如图4所示，为本发明的高速光耦隔离电路3，该电路实现控制器内部弱电PWM信号与电机驱动端的PWM强电信号的隔离，其中高速光耦电路3采用TLP2630，可通过10M频率的脉冲信号。

如图5所示，为本发明的驱动与功率放大模块电路2。该电路接收光耦输出的PWM，输出具有驱动能力的电流送给力矩电机。该电路选择ST公司的L6203，该芯片内部集成全桥驱动，PWM载波频率可以达到100KHz，内阻在常温下为0.3欧姆，功耗很低。

如图6所示，为本发明的电流传感器10。该电路检测力矩电机1的绕组电流，形成模拟量电压，然后经过偏置电路形成A/D转换芯片允许的电压范围的电压，再经过二阶低通滤波去除高频噪声后，送到A/D转换电路9转化为数字量进入FPGA系统6，在Nios处理器中经过电流环控制算法后形成电流环闭环。

如图7所示，为本发明的转速信号检测接口电路图。转速信号V的电平偏移量BIAS_Vi通过电位器H03调节得到，然后可调电位器W131对经U13B芯片处理过的转速传感器信号进行适当的放大和缩小，最后转换成与A/D转换芯片输入量程相匹配的信号值，再经过一级二阶低通滤波器，滤除高频噪声信号。

如图8所示，位置传感器接口电路对位置传感器输出的5V位置数字信号转换成与FPGA系统相匹配的3.3V数字信号。本发明采用TI公司的SN74ALVC164245芯片作为转换电路能够实现16路数字信号的同时转换，提高了系统的集成度。

如图9所示，为本发明的A/D转换电路图；该电路把检测的力矩电机的绕组电流和转速的模拟量信号转换为数字量信号。本发明采用的A/D转换芯片为TI公司的ADS8361，该芯片具有16位精度、4通道模拟量输入、两个500KSPS的转换器和串行接口，而其功耗只有150mW。该A/D转换电路转换精度高，转换速度快，功耗低，适合航天应用。

如图10所示，为本发明采用位置闭环增量式PID、速率环P、电流环P加摩擦补偿提高速率精度，然后利用前馈控制器提高系统的响应速度。其中K_V为转速环比例系数，K_I为电流环比例系数。检测回路有电流检测、转速检测和位置检测，检测的信号经变换后进入FPGA系统在系统内形成三个闭环控制。r为输入位置命令值，经过前馈环节G_A(S)补偿到转速环的入口。摩擦补偿环节取样名义模型的输出速度u代替实际速度来作为摩擦补偿环节的输入信号，摩擦补偿的输出

与电流环的输出u_l共同作用在被控对象上。其中G_P(S)为功放传函，M为被控力矩电机。

如图11所示，为本发明Nios系统启动后，首先进行初始化操作，然后判断是不是有中断，没有中断时进入空循环等待。当有中断时，首先进行中断类型的判断。共有四种类型的中断，SCI中断为上位机发送命令，电流环定时中断、速率环定时中断、位置环定时中断中分别为三个环的控制算法。位置环的计算输出的位置参考值送到速率环的入口，速率环的计算输出的速率参考值送到电流环的入口，最终完成伺服系统的三环控制。

本发明虽为磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统控制装置，但也可以作为一种通用的低速直流电机控制器，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 (3)

1、一种高精度低功耗磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统数字控制装置，其特征在于：包括基于Nios处理器的FPGA系统(6)、高速光耦隔离电路(3)、驱动及功率放大电路(2)、力矩电机(1)、电流传感器接口电路(10)、角位置传感器(8)、测速电机(11)、A/D转换模块(9)，其中A/D转换模块(9)包括调偏电路、滤波电路及A/D转换电路，电流传感器(10)检测力矩电机(1)的绕组电流，经A/D转换模块进入FPGA系统(6)形成电流闭环；测速电机(11)检测力矩电机(1)的速度，输出模拟量电压，经A/D转换模块(9)形成数字量进入FPGA系统(6)形成速度闭环；角位置传感器(8)采集力矩电机(1)的角位置信号，经过角位置传感器接口电路(7)转换成FPGA输入范围内的电压信号；在FPGA系统(6)内部通过Avalon总线采集角位置数字信号后形成位置闭环，通过三环闭环控制后，经过控制算法计算出控制量对PWM进行调制，再将调制完成的PWM信号经高速光耦隔离电路(3)、驱动及功率放大电路(2)后生成力矩电机所需的控制电流，从而实现对伺服系统的高精度控制。

2、根据权利要求1所述的高精度低功耗磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统数字控制装置，其特征在于：所述的FPGA系统(6)上配置UART模块，然后在所配置的UART模块上接RS232接口电路(5)，再连接到上位机(4)，上位机实现对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统发送角位置及角速率命令和对当前位置及速率进行实时显示的功能。

3、根据权利要求1或2所述的高精度低功耗磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统数字控制装置，其特征在于：所述的FPGA系统(6)包括：NiosCPU、DSP协处理器、JTAG接口、UART接口、定时器、BOOTROM、片内FIFO、Avalon三态总线，上位机(4)通过JTAG接口对FPGA进行调试编程，NiosCPU通过Avalon三态总线对UART接口外设进行控制，DSP协处理器在NiosCPU的控制下用于对大量数据进行处理，定时器、BOOTROM、片内FIFO作为片内资源通过NiosCPU进行调度。

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