CN101012852A - 一种高可靠、集成化、低功耗磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置 - Google Patents

一种高可靠、集成化、低功耗磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置 Download PDF

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Abstract

一种高可靠、集成化、低功耗磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，用来对磁悬浮飞轮磁轴承系统进行主动控制，主要包括接口电路、模数转换芯片、FPGA模块。该装置通过接口电路和模数转换芯片获取磁轴承转子位移信号、线圈电流、转速信号数据，FPGA模块按照在FPGA芯片内基于硬件编程实现的控制算法生成控制量，根据生成的控制量并结合电流信号，进行PWM调制后输出给功放环节，生成磁轴承线圈所需的控制电流，从而实现对磁悬浮飞轮磁轴承系统的主动控制。本发明不但具备很高的可靠性，而且实现了磁悬浮飞轮磁轴承数字控制器的集成化与低功耗设计。

Description

一种高可靠、集成化、低功耗磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置
技术领域
本发明涉及一种高可靠、集成化、低功耗磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，用于对磁悬浮飞轮等磁轴承系统进行控制，适用于高可靠性、高集成度、低功耗等应用场合，特别适合航天及空间应用。
背景技术
飞轮是中小型卫星上基本的姿态控制执行机构。磁悬浮飞轮与传统机械轴承飞轮相比具有无接触、无摩擦、无需润滑、高精度、长寿命等优点，因而在卫星上具有广阔的应用前景。
现有的磁悬浮飞轮控制器分为模拟控制器和数字控制器两大类。模拟控制器存在功耗大，抗干扰能力差，控制参数修改困难，调试过程复杂，难于实现比较复杂的控制算法等缺点。数字控制器的优点表现在：参数修改方便，适合集成化，而且功耗明显降低，这对于航天应用非常有吸引力。
现有的数字控制器又有两类。目前以Ti的C2000系列DSP为核心的磁轴承控制器比较普遍，它具有参数调试方便、集成度高、功耗小等优点，但因其算法均由DSP软件实现，对于航天和空间应用中环境、温度等特殊情况往往存在可靠性差的问题，因此无法应用于航天和空间环境中。另一类数字控制器采用Ti的C3000浮点型DSP做控制算法，采用FPGA芯片控制外围器件，同时与DSP通讯。此类控制器具有高性能等优点，但因其控制算法所需的磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流等控制信号均由FPGA获取，而其控制算法要由DSP内部采用软件实现，控制算法生成的控制量还要再送回FPGA进行PWM调制，所以DSP模块与FPGA模块之间必须有频繁的数据通讯，这对于航天和空间应用也存在可靠性差的问题，并且由于同时采用了DSP芯片与FPGA芯片，与其它数字控制器相比其集成度较差、功耗偏高。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有的两类数字控制器对于航天和空间应用的可靠性差、集成度差、功耗偏高等问题，提供一种高可靠、集成化、低功耗的磁悬浮飞轮数字控制装置。
本发明的技术解决方案：一种高可靠、集成化、低功耗磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，其特征在于：包括：
接口电路：与电流信号模数转换芯片和位移信号模数转换芯片相接，包括电流传感器接口电路和位移传感器接口电路，将由电流传感器输入的电流信号和位移传感器输入的位移信号转换成0～5V的模拟电压信号；
电流信号模数转换芯片和位移信号模数转换芯片：将接口电路输出的0～5V的模拟电压信号转换为0～5V数字化的电流信号和位移信号输出给电平转换芯片；
电平转换芯片：与电流信号模数转换芯片、位移信号模数转换芯片、霍尔传感器和FPGA模块相接，将0～5V的数字化电流信号和位移信号以及由霍尔传感器输出的0～5V的飞轮转速信号转换为0～3.3V送至FPGA模块；
FPGA模块：控制电流信号转换模块和位移信号转换模块对由电流传感器输入的电流信号和位移传感器输入的位移信号进行采样；根据测速逻辑对经电平转换芯片转换后的0～3.3V飞轮转速信号进行转速计算；对经电平转换后的数字化位移信号和转速信号进行运算处理，得到功放所需的控制量。
所述的FPGA模块包括硬件电路部分和在FPGA芯片内基于硬件编程实现的控制算法部分。硬件电路部分包括配置芯片和FPGA芯片，其中FPGA芯片采用一片XinlinxXC3S××芯片；基于硬件编程实现控制算法部分，包括模数转换控制算法，转速计算算法，分散PID+交叉反馈控制算法和PWM调制算法，FPGA芯片通过模数转换控制算法控制电流信号模数转换芯片和位移信号模数转换芯片对电流信号和位移信号进行模数转换；同时通过转速计算算法对霍尔传感器所给出的转速信号进行转速计算；分散PID+交叉反馈控制算法对位移信号和转速信号进行计算，得到PWM调制算法所需的控制量；由PWM调制算法对分散PID+交叉反馈控制算法生成的控制量和模数转换控制算法得到的电流信号进行PWM调制，并将调制结果输出功放，完成磁悬浮飞轮转子5个自由度的控制。
本发明的原理：FPGA芯片采用基于硬件编程实现的模数转换控制算法控制电流信号模数转换芯片和位移信号模数转换芯片，对电流信号和位移信号进行采样，转换结果读入FPGA芯片中的RAM中。当有转速信号时，在FPGA芯片设计的转速计算算法将对转速进行计算得到转速值，在FPGA芯片基于硬件实现的分散PID+交叉反馈控制算法根据位移量和转速值，执行控制算法得到控制量，FPGA芯片设计的PWM调制算法根据控制算法得到的控制量，并结合电流信号采样值进行调制，PWM调制后输出给功放环节，从而在磁轴承线圈中得到需要的控制电流，实现磁悬浮飞轮磁轴承系统的主动控制。
与现有的磁悬浮飞轮磁轴承普遍采用的模拟控制器和两类数字控制器相比具有以下特点：本发明采用具有高性能的FPGA芯片XC3S××构建磁悬浮飞轮控制算法的执行核心，基于硬件编程实现了控制算法，同时对外围器件进行控制，获得控制算法所需的磁轴承转子位移信号和磁轴承线圈电流信号，并根据控制算法所得控制量对功率模块所需的PWM信号进行调制。因为本发明将控制算法由硬件予以实现，并且传感器信号的获取、控制量的计算和PWM信号调制在同一芯片中进行，减少了中间软硬件通讯的环节，因此具有高可靠、集成化、低功耗的优点。本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)较传统的以运算放大器为核心的模拟控制器而言，本发明具有数字控制器的优点：调试灵活、方便、体积小、重量轻、便于实现较复杂的控制算法。较现有的定点DSP为核心的数字控制器和浮点DSP结合FPGA的数字控制器而言，本发明所采用的控制算法由FPGA芯片基于硬件编程实现，且传感器信号的获取、控制量的计算和PWM信号调制均在同一芯片中进行，减少了中间软硬件通讯的环节，所以其可靠性明显提高，能够满足航天和空间应用中对可靠性的要求。
(2)该发明实现了系统的数字化和集成化，降低了控制器功耗，提高了控制系统的可靠性，特别适用于航空航天等对功耗、可靠性有严格要求的领域。
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芯片内基于硬件实现的控制算法框图；
图4为本发明的位移传感器接口电路的电路原理图；
图5为本发明的电流传感器接口电路的电路原理图；
图6为本发明的位移信号模数转换芯片和电流信号模数转换芯片的电路；
图7为本发明的FPGA芯片与其它器件信号连接的电路图；
图8为本发明采用的模数转换控制算法流程图；
图9为本发明采用的分散PID+交叉反馈控制原理框图；
图10为本发明采用的转速计算算法流程图；
图11为本发明采用的PWM调制算法原理框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置主要由接口电路8、位移信号模数转换芯片6、电流信号模数转换芯片13、电平转换芯片14和FPGA模块3组成，其中接口电路8包括位移传感器接口电路7和电流传感器接口电路12，FPGA模块3包括配置芯片1和FPGA芯片2。位移传感器接口电路7将位移传感器10检测到的磁轴承转子位移信号转换成位移信号模数转换芯片6所要求的0V～5V范围、电流传感器接口电路12将电流传感器11检测到的磁轴承线圈电流信号转换成电流信号模数转换芯片13所要求的0V～5V范围，FPGA芯片2控制位移信号模数转换芯片6和电流信号模数转换芯片13分别对磁轴承转子位移信号和磁轴承线圈信号进行采样，采样结果经电平转换芯片14转换为FPGA芯片2所要求的0V～3.3V范围，FPGA芯片2中通过基于硬件编程实现控制算法以对磁轴承转子位移信号、转速信号进行运算生成控制量，并结合电流信号采样值进行调制，PWM调制后输出给功放环节，从而生成磁轴承线圈所需的控制电流，实现磁悬浮飞轮磁轴承系统的主动控制。
如图2所示，给出了本发明的控制原理，FPGA模块3控制位移信号模数转换芯片6和电流信号模数转换芯片13对磁轴承转子位移信号和磁轴承线圈电流信号进行采样，同时FPGA模块3对飞轮转速信号的进行检测。根据测得的磁轴承转子位移信号和转速信号计算得控制量后结合电流信号进行PWM调制，由功放4根据FPGA模块3输出的PWM信号转换成相应的线圈电流，实现磁悬浮飞轮的主动控制。
如图3所示，FPGA芯片内基于硬件实现的控制算法包括：模数转换控制算法18，转速计算算法17，分散PID+交叉反馈控制算法16和PWM调制算法19。其中FPGA芯片2通过模数转换控制算法18控制电流信号模数转换芯片13和位移信号模数转换芯片6对电流信号和位移信号进行模数转换；同时通过转速计算算法17对霍尔传感器9所给出的转速信号进行转速计算；FPGA芯片2中基于硬件实现的分散PID+交叉反馈控制算法16对位移信号和转速信号进行计算，得到PWM调制算法19所需的控制量；由PWM调制算法19对分散PID+交叉反馈控制算法16生成的控制量和模数转换控制算法18得到的电流信号进行PWM调制，并将调制结果输出功放4，完成磁悬浮飞轮转子5个自由度的控制。
如图4所示，位移传感器10得到的磁轴承转子位移信号经过比例变换、电平偏移、限幅后，变为位移信号模数转换芯片6所需的0V～5V电压信号，然后经过抗混叠低通滤波去除高频噪声后送至位移信号模数转换芯片6。
如图5所示，电流传感器11得到的磁轴承线圈电流信号经过比例变换、电平偏移、限幅后，变为电流信号模数转换芯片13所需的0V～5V电压信号，然后经过抗混叠低通滤波去除高频噪声后送至电流信号模数转换芯片13。
如图6所示，本发明采用的模数转换芯片采用的是BB公司的ADS7861，该芯片具有12位精度、4路差分输入、8个独立的采样保持器、两个500KHZ的转换器和串行接口，而其功耗只有25mW。采用三片芯片(共12路输入)可以满足电流信号和位移信号的路数要求(共10路，其中电流信号5路，包括径向电流信号4路，轴向电流信号1路；位移信号5路，包括径向位移信号4路，轴向位移信号1路)，独立的采样保持器保证了信号的相位关系，两个500KHz的转换器完全可以满足系统的实时性要求，高速串行接口保证了转换结果的高速输出并减小了对系统的噪声，25mW的低功耗使得该芯片非常适合航天应用。这三个芯片的接口信号经电平转换芯片(本实施例采用74LVC164245)进行电平转换后与FPGA芯片连接。
如图7所示，本发明所采用的FPGA芯片为Xilinx公司的XC3S400，该芯片采用50M的晶振作为系统时钟，内部有40万个逻辑门电路，288K片内RAM，并集成有16个18×18位的乘法器，保证了控制算法与PWM调制的高速执行，264个用户自定义I/O资源使得与外围芯片的接口非常方便。该芯片控制位移信号和电流信号的采样，当有转速信号输入时对转速信号进行计算，并通过控制算法对位移信号、转速信号进行运算生成控制量，然后PWM调制算法根据控制量结合电流信号采样值执行功率模块的控制算法，进行PWM调制后输出给功放环节。
本发明FPGA芯片2采用的模数转换控制算法流程图如图8所示：当设定的定时时间(如0.1ms)到时，触发模数转换芯片(ADS7861)对电流和位移信号进行模数转换；当等待延时时间(如0.5ns)到后，对模数转换的串行输出结果进行读取；当12位数据读取完毕后，结束本次模数转换，等待下次定时时间到。
本发明采用的分散PID+交叉反馈控制算法框图如图9所示：由位移传感器检测出飞轮径向X两端位移信号Xa、Xb和径向Y两端位移信号Ya、Yb，其中一路分别送至四个分散PID控制模块，用于实现飞轮的静态悬浮和低转速下的稳定控制；另一路，Xa、Xb送至X向交叉反馈控制模块输入端，Ya、Yb送至Y向交叉反馈控制模块的输入端，X向交叉反馈控制模块的输出以相反的极性分别与Y向两端两个分散PID控制模块的输出相并联后输出为OUTYa和OUTYb，用于PWM调制算法的输入，Y向交叉反馈控制模块的输出以相反的极性分别与X向两端两个分散PID控制模块的输出相并联后输出为OUTXa和OUTYb，用于PWM调制算法的输入；同时，转速计算算法将霍尔传感器给出的霍尔信号进行计算，得到飞轮转速信号，分别送至X向和Y向交叉反馈控制模块，用于交叉反馈控制模块跟踪飞轮转子的转速，以便能够随时调节其相位超前量和交叉反馈量。
本发明FPGA芯片2采用的转速计算算法流程图如图10所示：本实施例利用飞轮电机三个霍尔中的任意两个计算转速。当第一个霍尔信号到时，启动定时器进行计数；当下一个霍尔信号到时，对计数值进行锁存，并进行转速计算，转速计算公式为：
本发明FPGA芯片2采用的PWM调制算法原理框图如图11所示：由电流信号和分散PID+交叉反馈控制所产生的控制量通过加权求和，得到要进行PWM调制的调制量；将调制量与载波信号计数器的当前值通过比较器进行比较，比较器的输出即为调制出的PWM信号。
本发明虽为磁悬浮飞轮磁轴承系统的控制装置，但也可以作为一种通用的磁轴承控制平台作为其他磁轴承系统的控制器，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改FPGA设计来灵活方便地实现其功能。

Claims (2)

1、一种高可靠、集成化、低功耗磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，其特征在于：包括：
接口电路(8)：与电流信号模数转换芯片(13)和位移信号模数转换芯片(6)相接，包括电流传感器接口电路(12)和位移传感器接口电路(7)，将由电流传感器(11)输入的电流信号和位移传感器(10)输入的位移信号转换成0～5V的模拟电压信号；
电流信号模数转换芯片(13)和位移信号模数转换芯片(6)：将接口电路(8)输出的0～5V的模拟电压信号转换为0～5V数字化的电流信号和位移信号输出给电平转换芯片(14)；
电平转换芯片(14)：与电流信号模数转换芯片(13)、位移信号模数转换芯片(6)、霍尔传感器(9)和FPGA模块(3)相接，将0～5V的数字化电流信号和位移信号以及由霍尔传感器(9)输出的0～5V的飞轮转速信号转换为0～3.3V送至FPGA模块(3)；
FPGA模块(3)：控制电流信号转换模块(13)和位移信号转换模块(6)对由电流传感器(11)输入的电流信号和位移传感器(10)输入的位移信号进行采样；根据测速逻辑对经电平转换芯片(14)转换后的0～3.3V飞轮转速信号进行转速计算；对经电平转换后的数字化位移信号和转速信号进行运算处理，得到功放(4)所需的控制量。
2、根据权利要求1所述的高可靠、集成化、低功耗磁悬浮飞轮磁轴承数字控制装置，其特征在于：所述的FPGA模块(3)包括硬件电路部分和在FPGA芯片内基于硬件编程实现的控制算法部分；硬件电路部分包括配置芯片(1)和FPGA芯片(2)，其中FPGA芯片(2)采用一片Xinlinx XC3S××芯片；基于硬件编程实现控制算法部分，包括模数转换控制算法(18)，转速计算算法(17)，分散PID+交叉反馈控制算法(16)和PWM调制算法(19)，FPGA芯片(2)通过模数转换控制算法(18)控制电流信号模数转换芯片(13)和位移信号模数转换芯片(6)对电流信号和位移信号进行模数转换；同时通过转速计算算法(17)对霍尔传感器(9)所给出的转速信号进行转速计算；分散PID+交叉反馈控制算法(16)对位移信号和转速信号进行计算，得到PWM调制算法(19)所需的控制量；由PWM调制算法(19)对分散PID+交叉反馈控制算法(16)生成的控制量和模数转换控制算法(18)得到的电流信号进行PWM调制，并将调制结果输出功放(4)，完成磁悬浮飞轮转子5个自由度的控制。
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Granted publication date: 20080604

Termination date: 20181214

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