CN101109961A - 一种卫星天线运动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种卫星天线运动控制系统，包括系统给定电路、主控单元、驱动和功率电路、电流检测电路、角位置检测电路、转速检测电路、执行机构，主控单元主要包括DSP芯片和FPGA芯片，本发明有效地提高了指向精度和动态跟踪性能，减小了控制系统的体积和功耗。在卫星天线指向控制系统领域具有重要的应用价值。

Description

一种卫星天线运动控制系统

技术领域

本发明涉及数字伺服控制系统领域，用于卫星天线等高精度、小体积、低功耗指向控制执行机构的驱动部件。

背景技术

目前伺服系统通常为带有负反馈的闭环控制系统，某些场合下也可使用开环控制来实现其功能。卫星天线运动控制系统是一种典型的伺服系统，它能够根据输入信号的要求，实时、精确地控制微波天线按照一定的轨迹运动或者高精度的定位在某一点，是天线通讯必需的前提条件。

国内外的相关研究资料显示，传统卫星天线运动数字控制系统多使用单片机、嵌入式计算机等低速处理设备作为主控单元。这些系统或者采样频率较低、处理速度不够、精度差或者设备体积、功耗较大。

目前部分较新型天线运动控制系统使用了DSP单独作为主控单元，典型应用为TI公司的C2000系列DSP。此类系统实现了高度集成的控制系统，功耗较低，达到了较好的控制效果。不过当控制系统使用了较复杂控制方法(如矢量控制方法)时，要涉及较多复杂运算(如坐标变换、三角函数运算等)。C2000系列为定点DSP，不能满足复杂运算对浮点数据处理的需求。这时不得不牺牲部分运算精度，从而限制了系统总体控制精度。

多环控制律的动态性能很大程度取决于内环响应速度。对伺服系统来说电流环影响最大。所以电流环的采样频率必须较高。C2000系列DSP同时集成了脉宽调制(PWM)输出模块、AD采样模块，DSP芯片同时承担数据采样及其控制、预处理、控制逻辑运算、PWM波形输出、执行系统保护逻辑等全部工作，运算量很大，对DSP运算能力提出很高要求。目前来说限制了系统采样频率和总体控制频率，也限制了复杂控制逻辑的应用，这是此类结构系统控制精度和响应性能受限的主要原因。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高运算精度、高采样和控制频率、良好动态响应性能、体积较小、功耗较低的用于卫星天线指向机构的伺服控制系统。

本发明的技术解决方案：卫星天线运动控制系统，其主控单元包含DSP芯片及FPGA芯片，DSP芯片承担系统全部控制逻辑运算，FPGA芯片以高速并行方式承担信号采集及其控制、数据预处理、PWM信号生成、执行系统保护逻辑等任务，充分发挥DSP进行复杂运算、FPGA并行处理的优势。

具体包括：系统给定电路、主控单元、驱动和功率电路、电流检测电路、角位置检测电路、转速检测电路、执行机构，主控单元主要包括DSP芯片和FPGA芯片，其中：

DSP芯片，用于在系统中执行全部控制逻辑，包括：接收系统给定电路输出的系统角位置给定信号；接收FPGA芯片输出的电流、角位置和转速反馈信号；结合所述的给定信号与所述的反馈信号，经过矢量控制原理计算得出空间矢量脉宽调制SVPWM波形控制信号，向FPGA芯片输出；

FPGA芯片，在系统中完成信号采集及其控制、SVPWM信号生成及其输出和系统保护功能，包括：根据预设采样频率，控制电流检测电路、角位置检测电路、转速检测电路进行采样，并分别接收其输出的三相电流检测信号、粗精双路角位置检测信号、转速检测信号；经纠错逻辑，由粗、精双路角位置检测信号生成电机转子角位置反馈信号；将电流、角位置和转速反馈信号送入DSP芯片；接收DSP芯片输出的SVPWM波形控制信号，生成三相六路加入死区的SVPWM波形，输出送入驱动和功率电路中的驱动电路，控制驱动和功率电路中MOSFET功率电路的导通；根据系统保护逻辑，必要时生成系统保护信号。

本发明的原理是：系统主控单元承担任务为系统的信号采集及其控制，即根据预先设定的采样时间触发电流检测电路、角位置检测电路、转速检测电路中的模数转换芯片对电机三相电流、转子角位置、转子转速进行采样；数据预处理，即分时接收角位置检测电路输出的粗、精双路角位置检测信号，经纠错逻辑处理生成角位置反馈信号；控制逻辑运算，即使用矢量控制方法对电机进行位置、速度、电流三闭环实时控制；PWM信号生成，即根据矢量要求生成相应开关状态；执行系统保护逻辑，即在系统出现过流、短路等异常情况时输出保护信号保护系统不被损坏。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用DSP进行系统控制逻辑运算，相对传统的单片机、嵌入式计算机等控制方式具有更高运算速度和精度、更高系统控制频率、较小的体积和功耗。

(2)相对于单DSP控制系统，本系统由于DSP芯片专用于控制逻辑的计算，算法执行速度更高；采用浮点DSP，运算精度更高；使用FPGA进行高速采样，具有更高采样频率和系统总体控制频率，从而提高了系统控制精度。

(3)使用FPGA芯片作为SVPWM波形生成电路、模数转换芯片控制器、功率模块控制器，执行数据预处理、实现系统保护功能。高度集成化使得系统保持较低功耗、较小体积。

(4)本发明中的FPGA芯片由于采用了图8所示的逻辑工作过程，因此可以生成非中心对称的SVPWM波形，从而使硬件实现方便，降低了系统实现成本。

附图说明

图1为本发明的控制系统原理框图；

图2为图1的主控单元原理框图；

图3为图1的驱动电路及MOSFET功率电路原理框图(以A相为例)；

图4为图1的电流检测电路原理框图(以单相为例)；

图5为图1的角位置检测电路原理框图；

图6为图1的速度检测电路原理框图；

图7为本发明的系统控制逻辑原理图；

图8为本发明的FPGA内SVPWM波形产生逻辑图(以A相为例)；

图9为本发明的DSP主程序流程图；

图10为本发明的FPGA主程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由稳恒直流电源电路1、系统给定电路2、主控单元3、驱动和功率电路4、电流检测电路5、角位置检测电路6、转速检测电路7、执行机构8组成，其中稳恒直流电源电路1向系统给定电路2、主控单元3提供+5V电压；向驱动和功率电路4中的隔离驱动电路41、电流检测电路5、角位置检测电路6、转速检测电路7提供±15V电压；向驱动和功率电路4中的MOSFET功率电路42提供稳压直流+28V电源；系统给定电路2提供16位角位置给定信号，送入主控单元3；电流检测电路5采样MOSFET功率电路42输出三相电流，生成三相电流检测信号，送入主控单元3，同时生成电流检测电压信号，送入驱动和功率电路4；角位置检测电路6检测当前执行机构8中伺服电机的转子角位置，生成粗、精双路角位置反馈信号，送入主控单元3；角位置检测电路6同时生成转速电压信号，送入转速检测电路7；转速检测电路7检测转速电压信号，生成转速检测信号，送入主控单元3。主控单元3根据送入的角位置、转速、三相电流检测信号和系统给定信号，按照矢量控制原理和三闭环控制律，生成相应的SVPWM波形。输出的SVPWM波形送入驱动和功率电路4，输出预定电压电流波形，驱动电机伺服运行。执行机构8采用永磁同步伺服电动机，其中的伺服电机的转速输出经大减速比精密传动机构驱动天线进行精确跟踪或定位。

如图2所示，主控单元3包括DSP芯片31，FPGA芯片32，FLASH芯片33，外扩RAM芯片34，EPROM配置芯片35，其中：

作为信号采集器，FPGA芯片32进行以下工作：通过电流采样控制信号控制电流检测电路5对三相电流进行采样，读取其输出的三相12位电流检测信号，作为三相电流反馈信号，送入DSP芯片31；通过角位置采样控制信号控制角位置检测电路6对转子角位置进行采样，分时读取其输出的粗、精双路角位置检测信号，进行权值处理，即把粗通道的数据扩成转速比的倍数，精通道数据和经过处理的粗通道的数据再一起进行数据的组合及纠错，得到电机转子19位精度角位置反馈信号，送入DSP芯片31；通过转速采样控制信号控制转速检测电路7对转速电压信号进行采样，读取其输出的12位转速检测信号，作为转速反馈信号，送入DSP芯片31。

作为控制运算器，DSP芯片31从系统给定电路2接收电机角位置给定信号；在FPGA芯片32发出中断请求时执行中断响应程序接收角位置、转速、电流反馈信号；依照控制逻辑，结合给定信号与反馈信号进行系统控制运算，运算完毕生成SVPWM控制信号，送入FPGA芯片32。

作为PWM波形发生器，FPGA芯片32每个PWM周期查询接收一次DSP芯片31发出的SVPWM控制信号，生成相应的SVPWM波形，并送入驱动和功率电路4，完成电机驱动。

为完成系统保护，FPGA芯片32结合系统保护逻辑，根据电流检测信号判断，在系统过流、短路等异常情况时输出保护信号，使MOSFET管全部关断10ms，保护系统；电流采样时，控制A/D芯片在每相电流换相完毕、电流值平稳后再对电流进行采样。

FLASH芯片33用于DSP芯片31的程序存储；外扩RAM芯片34提供外扩512K存储空间，满足运算需要；EPROM配置芯片35提供FPGA芯片32的配置信息。

本发明所采用的DSP芯片为TMS320VC33-150PGE；FPGA芯片为SPARTAN XCS40。

如图3所示，驱动及功率电路4包括驱动电路41、MOSFET功率电路42、高速光耦隔离电路43，其中(本图以A相为例)：

高速光耦隔离电路43接收主控电路3发出的SVPWM波形，并将其送入驱动电路41的IN端口(上下桥臂控制端分别为HIN1、LIN1)，控制驱动电路41的上下触发端口HO1、LO1输出MOSFET功率管开关状态，从而驱动A相上下桥臂的导通和关断，以输出预定电压电流波形，驱动电机伺服运行。驱动电路41从电流检测电路5接收电流检测电压信号，完成过流、短路保护功能，保护系统不会因过流、短路等异常状态而损坏。

如图4所示，电流检测电路5包括：电流互感器51，调幅、偏置、滤波电路52，AD转换芯片53，滤波、分压电路54，其中(本图以单相为例)：

电流互感器51对MOSFET功率电路42输出的相电流进行检测，经调幅、偏置滤波电路52、经AD转换芯片53采样后，生成12位精度电流检测信号，送入主控单元3。AD转换芯片采样受FPGA芯片32输出的电流采样控制信号控制，以错过电流换相时刻可能产生的尖峰电流，待电流值趋于平稳再进行采样，以提高控制精度。

滤波、分压电路54接收电流互感器51的输出，生成电流检测电压信号，送入驱动电路41完成过流保护功能。

如图5所示，角位置检测电路由双通道旋转变压器61、轴角编码器RDC电路62、正弦激励源电路63组成，其中：

正弦激励源电路63为双通道旋转变压器61提供正弦激励信号，送入旋转变压器原边，由副边输出两路正交信号，送回正弦激励源电路63，构成同步锁定闭环，保证正弦激励信号稳定。

双通道旋转变压器61检测伺服电机转子输出角位置，输出粗、精两路正弦、余弦信号，送入RDC电路62，RDC电路62完成两路角度解算，生成粗、精两路角位置检测信号，根据角位置采样控制信号，分时送入主控单元3；同时生成转速电压信号，送入转速检测电路6。

如图6所示，转速检测电路包括：调幅、偏置、滤波电路61，AD转换芯片62，其中：

角位置检测电路5送入的转速电压信号经调幅、偏置、滤波电路61的调制、AD转换芯片62的采样，生成12位精度的转速检测信号，送入主控单元3。AD转换芯片62根据主控单元3送入的转速采样控制信号而具有固定的1ms采样周期。

如图7所示的系统控制逻辑全部由TMS320VC33型DSP芯片完成。控制系统采用位置、转速、电流三闭环结构可以满足高精度动态跟踪或定位的要求。位置调节环节采用PI控制，保证系统定位精度；速度调节环节采用P控制，保证系统动态性能和系统稳定性；电流调节环节采用P控制，保证系统抗负载扰动能力。

角度传感器生成角位置反馈信号θ_r；速度计算环节生成速度反馈信号ω_r；电流传感器生成三相电流反馈值i_A，i_B，i_C，经ABC相/dq相坐标变换环节，生成电流d、q坐标系下两路反馈信号i_d、i_q。

角位置给定信号θ_r ^*与位置反馈信号θ_r比较，误差□θ_r经角位置调节环节，输出速度给定信号ω_r ^*。速度给定信号ω_r ^*与速度反馈信号ω_r比较，误差□ω_r经速度调节环节输出电流q轴分量给定信号i_q ^*。转速反馈信号ω_r经函数发生器环节生成电流d轴分量给定信号i_d ^*。电流给定信号i_q ^*、i_d ^*与电流反馈信号i_d、i_q比较，生成电流误差信号□i_d、□i_q。□i_d、□i_q经电流调节环节，生成dq相电压给定u_q ^*、u_d ^*，经Park逆变换环节生成αβ相电压给定u_α ^*、u_β ^*，送入SVPWM生成环节，生成SVPWM波形，驱动电机运行。

如图8所示，FPGA经所示逻辑生成非中心对称的PWM波形。非中心对称波形每相只有一次高低电平转换，并且转换时刻由输入的脉宽时间进行调制，通过三相不同的脉宽时间调制输出SVPWM波形。单相波形在单个PWM周期内的形式为：死区、高导通、死区、低导通。FPGA产生PWM波形逻辑主要包括三部分，上桥臂死区发生部分81、脉宽控制部分82，下桥臂死区发生部分83，其中(本图以A相为例)：

PWM周期开始，脉宽控制时间由PWMact口送入。在脉宽时间内上桥臂触发端PWMah应该输出高电平、下桥臂触发端PWMal输出低电平；脉宽时间过，则上桥臂触发端PWMah应该输出低电平、下桥臂触发端PWMal输出高电平。

PWM周期开始时刻，上桥臂死区发生部分81即开始工作，用于在上桥臂导通前加入死区时间。具体为第一计数器自动清零并正计数，输出送入第一比较寄存器；第一脉宽寄存器存储死区时间并由Q端保持输出，送入第一比较寄存器；第一比较寄存器对计数值与死区时间进行比较。若计数值小于死区值，则输出通过后续的非和与逻辑使上桥臂触发端PWMah输出为低；若计数值大于死区值，则上桥臂死区发生部分81停止工作，后续的非和与逻辑使上桥臂触发端PWMah输出为高，直至脉宽时间到。

PWM周期开始时刻，脉宽控制部分82即开始工作，用于在脉宽时间到的时刻，促使上下桥臂输出反相，即上桥臂输出低电平，下桥臂输出高电平。其中的第二脉宽寄存器存储脉宽时间并由Q端保持输出，送入第一比较寄存器；第二计数器清零并正计数，输出送入第二比较寄存器；第二比较寄存器对脉宽时间与计数值进行比较。脉宽时间不到，第一触发器的Q端输出高电平，促使PWMah输出高电平、使PWMal输出低电平；脉宽时间到，两者状态相反。

上桥臂反相即输出为低时，下桥臂死区发生部分83即开始工作，用于在下桥臂输出为高电平之前加入死区时间。具体为其中的第三脉宽寄存器存储死区时间，第三计数器受上桥臂信号控制清零并正计数，输出计数值送入第三比较寄存器；第三脉宽寄存器存储死区时间，并由Q端保持输出，送入第三比较寄存器；第三比较寄存器对计数值与死区时间进行比较。若计数值小于死区值，则输出通过后续的非和与逻辑使下桥臂触发端PWMah输出为低；若计数值大于死区值，则下桥臂死区发生部分83停止工作，后续的非和与逻辑使下桥臂触发端PWMah输出为高，直至PWM周期时间到。

三部分综合作用结果是，PWM周期开始，上下桥臂全部关断；经过死区时间，上桥臂导通；脉宽时间到后，上桥臂关断，下桥臂待导通；死区时间到后下桥臂导通。两段死区时间的加入使得系统不会有直通现象发生。

如图9所示，DSP在系统上电后将变量初始化，禁止PWM波形输出，开中断，通过PIO口检测是否有系统运行指令，若无运行指令则不停检测。接收到运行指令后，设置系统PID运算参数，解除PWM封锁，进入主循环程序。主循环程序没有收到中断请求，则根据预设的控制时间，更新系统给定信息并进行系统控制运算，此过程中要有开关中断动作保证整个运算过程不受干扰。接收到中断请求后，执行相应的中断处理子程序，读取角位置、转速、电流等反馈量，更新寄存器信息留待控制运算使用，返回。既无中断请求，又未到控制运算时间则执行一次空操作。

如图10所示，FPGA在系统上电后读取配置芯片中的配置信息，接收到开PWM信号之后解除PWM封锁，进入并行工作模式。共有四个进程。第一进程用于电流反馈，预设的电流采样时间到，则对三相电流检测值采样，作为三相电流反馈值，向DSP发出中断请求，发送三相电流反馈信号。第二进程用于转速采样，预设的转速采样时间到，则对转速检测值采样，生成转速反馈值，通过中断方式送入DSP。第三进程用于角位置采样，采样时间到，则分时读取粗、精双路角位置检测信号，按照纠错逻辑生成19位精度角位置反馈信号，通过中断方式送入DSP。第四进程用于PWM波形生成，每个PWM周期开始，读取DSP输出的SVPWM控制信号，结合系统保护逻辑，生成非对称SVPWM波形或系统保护信号后输出。

Claims (7)

1.一种卫星天线运动控制系统，其特征在于：包括系统给定电路(2)、主控单元(3)、驱动和功率电路(4)、电流检测电路(5)、角位置检测电路(6)、转速检测电路(7)、执行机构(8)，主控单元(3)主要包括DSP芯片(31)和FPGA芯片(32)，其中：

DSP芯片(31)，用于在系统中执行全部控制逻辑，包括：接收系统给定电路(2)输出的系统角位置给定信号；接收FPGA芯片(32)输出的电流、角位置和转速反馈信号；结合所述的给定信号与所述的反馈信号，经过矢量控制原理计算得出空间矢量脉宽调制SVPWM波形控制信号，向FPGA芯片(32)输出；

FPGA芯片(32)，在系统中完成信号采集及其控制、SVPWM信号生成及其输出和系统保护功能，包括：根据预设采样频率，控制电流检测电路(5)、角位置检测电路(6)、转速检测电路(7)进行采样，并分别接收其输出的三相电流检测信号、粗精双路角位置检测信号、转速检测信号；经纠错逻辑，由粗、精双路角位置检测信号生成电机转子角位置反馈信号；将电流、角位置和转速反馈信号送入DSP芯片(31)；接收DSP芯片(31)输出的SVPWM波形控制信号，根据波形生成逻辑，生成三相六路加入死区的SVPWM波形，输出送入驱动和功率电路(4)中的驱动电路(41)，控制驱动和功率电路(4)中的MOSFET功率电路(42)的导通；根据系统保护逻辑，必要时生成系统保护信号。

2.根据权利要求1所述的卫星天线运动控制系统，其特征在于：还包括稳恒直流电源电路(1)，向系统给定电路(2)、主控单元(3)提供+5V电压；向驱动和功率电路(4)中的隔离驱动电路(41)、电流检测电路(5)、角位置检测电路(6)和转速检测电路(7)提供±15V电压；向驱动和功率电路(4)中的MOSFET功率电路(42)提供稳压直流+28V电源。

3.根据权利要求1或2所述的卫星天线运动控制系统，其特征在于：所述的FPGA芯片(32)经过中断方式向DSP芯片(31)传送反馈信号，以周期查询方式接收控制信号，FPGA芯片(32)和DSP芯片(31)两芯片并行工作。

4.根据权利要求1或2所述的卫星天线运动控制系统，其特征在于：所述的主控单元(3)还包括：FLASH芯片(33)，用于DSP芯片(31)的程序存储；外扩RAM芯片(34)提供DSP芯片(31)的外扩512K存储空间，满足运算需要；EPROM配置芯片(35)提供FPGA芯片(32)的配置信息。

5.根据权利要求1所述的卫星天线运动控制系统，其特征在于：所述的FPGA芯片(32)生成非中心对称的PWM波形，对应的波形生成逻辑包括上桥臂死区发生部分(81)、脉宽控制部分(82)，下桥臂死区发生部分(83)，上述三个部分分别顺序完成在上桥臂导通前加入死区波形、控制上桥臂关断、下桥臂导通前加入死区波形三个功能。

6.根据权利要求1所述的卫星天线运动控制系统，其特征在于：所述DSP芯片(31)为TI公司TMS320VC3X系列。

7.根据权利要求1所述的卫星天线运动控制系统，其特征在于：所述FPGA芯片(32)为XILINX公司的SPARTAN系列。

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