CN101000247A - 一种磁悬浮飞轮转子位置鉴别装置 - Google Patents

Abstract

一种磁悬浮飞轮转子位置鉴别装置，用来对磁悬浮飞轮转子进行位置检测，主要包括绝对位置检测传感器、绝对位置检测调理电路、相对位置检测传感器、相对位置检测调理电路、FPGA模块。该装置由绝对位置检测传感器对磁悬浮飞轮转子绝对位置进行检测得到0～5V的转子绝对位置信号，并通过绝对位置检测调理电路对其进行滤波、电平转换得到0～3.3V的转子绝对位置信号；由相对位置检测传感器对磁悬浮飞轮转子相对位置进行检测得到0～5V的转子相对位置信号，并通过相对位置检测调理电路对其进行滤波、电平转换得到0～3.3V的转子相对位置信号；由FPGA模块对0～3.3V的飞轮转子绝对位置信号进行检测并对0～3.3V的飞轮转子相对位置信号进行计数，从而实现磁悬浮飞轮转子位置的准确检测。

Description

一种磁悬浮飞轮转子位置鉴别装置

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮飞轮转子位置鉴别装置，用来对磁悬浮飞轮转子进行准确的位置检测。

背景技术

飞轮是中小型卫星上基本的姿态控制执行机构。与传统机械轴承飞轮相比，磁悬浮飞轮具有高精度、长寿命等优点，是高精度航天器姿态控制的理想执行机构。但是磁悬浮飞轮仍然存在一些振动源，如果不对这些振动源引起的振动进行抑制，将严重影响姿态控制的精度，磁悬浮飞轮的技术优势也无法得到体现。

转子的不平衡振动会造成飞轮系统的基频扰动，是磁悬浮飞轮最主要的振动源，如何对转子的不平衡振动进行抑制，成为磁悬浮飞轮应用于高精度航天器姿态控制所需要解决的主要问题之一。目前国内外已有的磁悬浮飞轮转子不平衡振动抑制方法因稳定性的问题无法应用于低于飞轮转子临界转速以下的转速段，因此无法实现磁悬浮飞轮整个转速范围的高精度控制。采用磁悬浮飞轮开环控制可以解决稳定性的问题，但要实现高精度必须要对飞轮整个工作范围中的转子位置信号进行精确的检测。

磁悬浮飞轮转子的动平衡也是抑制转子不平衡振动的一种有效方法，但完全的动平衡是代价昂贵而且不可能实现的。为了在现有条件下尽可能提高转子动平衡的精度，需要对磁悬浮飞轮转子进行各个转速下的在线动平衡，而要在各个转速下对飞轮转子进行在线动平衡必须能够在任意转速下对飞轮转子的位置进行准确鉴别。

现有的磁悬浮飞轮转子位置检测装置主要包括绝对位置检测传感器、绝对位置检测调理电路和锁相倍频器件，通过对飞轮转子的绝对位置信号进行锁相后倍频以检测转子的当前位置，可以实现在某一段转速范围内，且转速变化缓慢时转子的位置的检测，但是因其检测飞轮转子位置的信息由锁相倍频后产生，而锁相需要一个计算的过程，需要一定的计算时间，因而现有的磁悬浮飞轮转子位置检测装置无法适用于飞轮转速快速变化以输出力矩的场合，更无法实现整个转速范围内转子的位置鉴别，因此无法提供磁悬浮飞轮的高精度控制所需的准确的位置信号，也不能在任意转速下对磁悬浮飞轮转子进行在线动平衡。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对现有的磁悬浮飞轮转子位置检测装置无法实现在整个转速范围内，且升降速较快时准确鉴别出飞轮转子位置的缺点，提出一种磁悬浮飞轮转子位置鉴别装置，用于飞轮整个转速范围内转子位置的准确检测。

本发明的技术解决方案：磁悬浮飞轮转子位置鉴别装置，其特征在于：绝对位置检测传感器：与绝对位置检测调理电路相接，用于检测磁悬浮飞轮转子绝对位置，并将0～5V的飞轮转子绝对位置信号送至绝对位置检测调理电路；

相对位置检测传感器：与相对位置检测调理电路相接，用于检测磁悬浮飞轮转子相对位置，并将0～5V的飞轮转子相对位置信号送至相对位置检测调理电路；

绝对位置检测调理电路：与绝对位置检测传感器和FPGA模块相接，用于将绝对位置检测传感器输出的0～5V飞轮转子绝对位置信号转换为FPGA模块所需的0～3.3V飞轮转子绝对位置信号；

相对位置检测调理电路：与相对位置检测传感器和FPGA模块相接，用于将相对位置检测传感器输出的0～5V飞轮转子相对位置信号转换为FPGA模块所需的0～3.3V飞轮转子相对位置信号；

FPGA模块：与绝对位置检测调理电路和相对位置检测调理电路相接，用于接收绝对位置检测调理电路所给出的0～3.3V飞轮转子绝对位置信号；接收相对位置检测调理电路所给出的0～3.3V飞轮转子相对位置信号并对其进行计数，并由当前计数值确定磁悬浮飞轮转子的当前位置。

本发明的原理：绝对位置检测传感器对磁悬浮飞轮转子位置进行检测，给出0～5V的飞轮转子绝对位置信号，通过绝对位置检测调理电路转换为0～3.3V的飞轮转子绝对位置信号；相对位置检测传感器对磁悬浮飞轮转子相对位置进行检测，给出0～5V的飞轮转子相对位置信号，通过相对位置检测调理电路转换为0～3.3V的飞轮转子相对位置信号；FPGA模块检测0～3.3V的飞轮转子绝对位置信号，在飞轮转子到达绝对位置标志的同时，对0～3.3V的飞轮转子相对位置信号进行计数，则飞轮转子从绝对位置标志开始，被均分为N份(N为转子每转一周相对位置传感器所给出的相对位置信号个数)，从而由FPGA模块内部的相对位置信号计数器当前的计数值n就可以给出磁悬浮飞轮转子准确的位置信息，计算公式为：飞轮转子当前位置与绝对位置标志所成的夹角

本发明弥补了现有磁悬浮飞轮转子位置检测装置无法给出转速快速变化以输出力矩时转子准确位置信息的不足，具有以下特点：本发明结合转子绝对位置信号和转子相对位置信号，并采用FPGA芯片XC3S××对转子绝对位置信号和转子相对位置信号进行处理以获得飞轮转子准确的位置信息；其中绝对位置检测传感器只需给定飞轮转子的一个绝对位置，而相对位置检测传感器给出当前转子相对于绝对位置标志的相对位置，相对位置检测传感器对相对位置检测的精度即决定了本发明对磁悬浮飞轮转子位置鉴别的精度。本发明与现有的磁悬浮飞轮转子位置鉴别装置相比具有以下优点：

(1)本发明检测飞轮转子的位置信息完全由传感器直接提供，不需要锁相过程，适用于飞轮转速快速变化以输出力矩的场合下飞轮转子位置的鉴别，克服了现有技术只适用于一定转速范围内、且飞轮转速缓慢变化时飞轮转子位置鉴别的缺点，本发明所述装置可以为磁悬浮飞轮的高精度控制提供准确的位置信号，也可以为任意转速下的磁悬浮飞轮转子在线动平衡提供准确的位置信号；

(2)采用FPGA模块对转子绝对位置信号和转子相对位置信号进行硬件编程处理，具有可靠性强的优点，同时可实现复杂的逻辑功能，以提高对磁悬浮飞轮转子位置鉴别的精度。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的绝对位置检测传感器检测示意图；

图3为本发明的相对位置检测传感器检测示意图；

图4为本发明的绝对位置检测调理电路；

图5为本发明的相对位置检测调理电路；

图6为本发明的FPGA芯片控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要包括绝对位置检测传感器6、绝对位置检测调理电路5、相对位置检测传感器2、相对位置检测调理电路3和FPGA模块4。其中绝对位置检测传感器6与绝对位置检测调理电路5相接，用于检测磁悬浮飞轮转子绝对位置，得到0～5V的飞轮转子绝对位置信号，并将0～5V的飞轮转子绝对位置信号送至绝对位置检测调理电路5；相对位置检测传感器2与相对位置检测调理电路3相接，用于检测磁悬浮飞轮转子相对位置，得到0～5V的飞轮转子相对位置信号，并将0～5V的飞轮转子相对位置信号送至相对位置检测调理电路3；绝对位置检测调理电路5与绝对位置检测传感器6和FPGA模块4相接，用于将绝对位置检测传感器6输出的0～5V飞轮转子绝对位置信号转换为FPGA模块4所需的0～3.3V飞轮转子绝对位置信号；相对位置检测调理电路3与相对位置检测传感器2和FPGA模块4相接，用于将相对位置检测传感器2输出的0～5V飞轮转子相对位置信号转换为FPGA模块4所需的0～3.3V飞轮转子相对位置信号；FPGA模块4与绝对位置检测调理电路5和相对位置检测调理电路3相接，用于接收绝对位置检测调理电路5所给出的0～3.3V飞轮转子绝对位置信号；接收相对位置检测调理电路3所给出的0～3.3V飞轮转子相对位置信号并对其进行计数，并由当前计数值确定磁悬浮飞轮转子的当前位置。

如图2所示，本实施例的绝对位置检测传感器采用的是激光传感器8，也可采用红外传感器，由激光传感器8对飞轮转子1发出激光束并对飞轮转子1反射回的激光信号进行接收；飞轮转子1上采用黑色涂料涂黑一段作为转子绝对位置标志7；当转子绝对位置标志旋转至激光传感器8所发出的激光位置时，激光传感器就可以检测出绝对位置标志7。

如图3所示，本实施例采用的相对位置检测传感器为h个(本实施例h＝10)霍尔传感器10，采用的电机磁极对数为m对(本实施例m＝8)，h个霍尔传感器10沿圆周放置于飞轮电机定子11上，相邻霍尔传感器之间相差

电角度，用以对飞轮转子的相对位置进行检测；当飞轮电机转子9旋转时，霍尔传感器10所位于转子磁极9所形成的磁场中的位置发生变化，每当霍尔传感器10处于转子磁极9的N极磁场时，其输出为高电平，而处于S极磁场时，其输出为低电平，从而产生相对位置信号。

如图4所示，绝对位置检测传感器得到的0～5V飞轮转子绝对位置信号经过脉冲整形、电阻分压后，得到0～3.3V飞轮转子绝对位置信号送入FPGA模块。

如图5所示，对h个(由飞轮转子位置鉴别的精度决定，一般情况下取m×h为100左右，本实施例h＝10，其中m为飞轮电机转子磁极对数，本实施例m＝8)相对位置检测传感器得到的0～5V飞轮转子相对位置信号经过电阻上拉、RC滤波、脉冲整形，得到0～3.3V飞轮转子相对位置信号送入FPGA模块。

FPGA芯片的控制流程如图6所示：系统上电后从配置芯片中加载逻辑信息，成功加载后进入工作模式。进入工作模式后，FPGA芯片判断有无飞轮转子绝对位置信号，如果有，则重置相对位置计数器，即置相对位置计数器为零，如果没有绝对位置信号，则对飞轮转子的相对位置信号进行判断，如果有相对位置信号到来，则相对位置计数器加1，然后计算转子位置。由相对位置计数器的数值计算飞轮转子的当前位置。计算公式为：

式中：n为计数器的当前计数值，N为飞轮每转一周发出的相对位置信号的个数(N=飞轮电机转子磁极对数m×霍尔传感器个数h)，θ为当前转子所处位置与绝对位置标志形成的夹角。

本发明虽为磁悬浮飞轮转子位置鉴别装置，但也可以作为一种通用的位置鉴别装置作为其他旋转机构进行位置鉴别，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改检测传感器和FPGA设计来灵活方便地实现其功能。

Claims (4)

1、一种磁悬浮飞轮转子位置鉴别装置，其特征在于：包括：

绝对位置检测传感器(6)：与绝对位置检测调理电路(5)相接，用于检测磁悬浮飞轮转子绝对位置，并将0～5V的飞轮转子绝对位置信号送至绝对位置检测调理电路(5)；

相对位置检测传感器(2)：与相对位置检测调理电路(3)相接，用于检测磁悬浮飞轮转子相对位置，并将0～5V的飞轮转子相对位置信号送至相对位置检测调理电路(3)；

绝对位置检测调理电路(5)：与绝对位置检测传感器(6)和FPGA模块(4)相接，用于将绝对位置检测传感器(6)输出的0～5V飞轮转子绝对位置信号转换为FPGA模块(4)所需的0～3.3V飞轮转子绝对位置信号；

相对位置检测调理电路(3)：与相对位置检测传感器(2)和FPGA模块(4)相接，用于将相对位置检测传感器(2)输出的0～5V飞轮转子相对位置信号转换为FPGA模块(4)所需的0～3.3V飞轮转子相对位置信号；

FPGA模块(4)：与绝对位置检测调理电路(5)和相对位置检测调理电路(3)相接，用于接收绝对位置检测调理电路(5)所给出的0～3.3V飞轮转子绝对位置信号；接收相对位置检测调理电路(3)所给出的0～3.3V飞轮转子相对位置信号并对其进行计数，并由当前计数值确定磁悬浮飞轮转子的当前位置。

2、根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮转子位置鉴别装置，其特征在于：所述的绝对位置检测传感器(6)是激光传感器，也可以是红外传感器。

3、根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮转子位置鉴别装置，其特征在于：所述的相对位置检测传感器(2)是霍尔传感器，也可以是电涡流位移传感器。

4、根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮转子位置鉴别装置，其特征在于：所述的FPGA模块(4)包括配置芯片、FPGA芯片，其中FPGA芯片采用一片Xinlinx XC3Sxx芯片，通过对芯片设计程序实现磁悬浮飞轮转子位置的准确检测。

Images