CN101599670B - 一种集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统 - Google Patents

Abstract

一种集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，包括控制电路、采集电路和通讯接口，控制电路包括FPGA模块，DSP模块等；采集电路包括电流、位移传感器接口电路，双框架转速/位置接口电路，A/D模块，D/A模块；通讯接口包括USB接口，RS232，及SPI接口，系统的控制电路接收采集电路处理的陀螺转子信号，控制其稳定悬浮，把控制量通过通讯接口传送到上位机，在上位机控制下，实现对陀螺转子悬浮情况的在线监测和数据采集，并且对控制参数在线修改。本发明能有效通讯高精度控制时所需的内框架、外框架转动信号，实现了控制系统与测控系统的集成化设计，满足数据采集和在线监控的速度和精度要求。

Description

一种集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统

技术领域

一种集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，用于双框架磁悬浮控制力矩陀螺转子的高精度悬浮控制，能够实现与框架控制系统之间进行快速、无干扰的信号传输，将控制参数进行高速数据采集和在线监控，并且在线修改关键变量值，适用于高精度、高集成度的伺服机构控制系统。

背景技术

控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope，CMG)是一类用于航天器姿态控制的执行机构。相比传统的喷气推力器、动量轮等姿态控制机构，控制力矩陀螺具有控制范围大、精度高、输出力矩大、只需要电能即可工作等显著优点，因此被应用于空间站等大型航天器。双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double Gimbal Magnetic Suspended CMG，DGMSCMG)具有磁悬浮的无接触、无摩擦、无需润滑、高精度、转子转速高、长寿命等优点。而且双框架控制力矩陀螺相对单框架力矩陀螺可以绕2个框架轴旋转，增加了运动自由度，进入奇异状态(即无法产生输出力矩的框架角组合)的可能性大大降低，简化了控制律的设计，是航天器执行机构的一个重要的发展方向。

现有的磁轴承控制系统缺乏与框架控制系统之间的通讯接口，模块单一，功能不全面。磁轴承为有间隙的弹性支承方式，CMG的框架转动时，对于陀螺转子的作用等效于一个广义扰动力矩，转子径向位移将显著增大，不仅威胁磁悬浮系统稳定，且降低了输出力矩的精度。DGMSCMG有两个框架转动，其耦合程度加剧，对磁轴承而言多了一个扰动，更需要将框架转动的位置和速度值传送给磁轴承控制系统，使磁轴承控制器能够根据框架运动进行预先补偿。同时，框架控制系统和磁轴承控制系统是两套不同的数字电路和模拟电路相结合的系统，必须设计可靠的通讯接口，保证两者之间不会产生信号干扰，保持框架信号的完整性。

现有的磁轴承控制系统没有集成数据采集和在线监控功能，若需要实现数据采集和在线监控功能，需要添置外部的数据采集器，进行模数转换之后进入上位机。其体积庞大、造价昂贵且使用不便，不利于设备实验和现场调试。磁轴承控制系统所关心的位移和电流值有对应的阈值，只要求在此范围内的高精度；而外部数据采集器是通用型的，为适应各种测试环境，对应的模数转换范围比较宽，浪费采集通道的精度资源，即产生了对数据采集做优化配置的需求。此外，外部数据采集器不能记录控制器运算过程中的数字量，而这些控制量结合陀螺转子运动状态的分析将有利于改进控制器，提高控制器的性能指标。

在线修改关键控制变量值是设计控制系统的重要环节，其作用在于能根据当前磁轴承的工作状态，及时调整和修改基本控制器的控制参数、交叉反馈通道的比例系数，更加方便实验含有不同控制参数的控制器，同时灵活的调试增强了磁轴承的稳定性。现有的控制系统没有提出一整套对控制过程中的参数进行在线调试和修改的解决方案。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有的磁轴承控制系统、数据采集系统和在线监控相分离以及内外框架转动时轴承稳定性变差的缺点，提供一种集控制、通讯、数据采集和在线监控于一体的高速、高精度双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统。

本发明的技术解决方案是：一种集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，由控制电路、采集电路和通讯接口、上位机构成，其中，控制电路包括DSP模块、FPGA模块、Flash、SRAM、转速测量模块和晶振；采集电路包括D/A模块、A/D模块、双框架转速/位置接口电路、位移传感器接口电路和电流传感器接口电路；通讯接口包括USB接口、RS232和SPI接口：

在控制电路中：FPGA模块接收A/D模块的电流值、位移值、内外两个框架各自的转速和位置值，通过总线与DSP模块连接，交换控制过程中上述各数据量；接收转速测量模块对霍尔传感器传送的转速信号经过滤波整形后的转速值，同时向D/A模块发送磁轴承的控制量；FPGA模块与FLASH和SRAM之间通过数据和地址总线连接，交换需要存储的数据；FPGA模块接收由DSP模块对晶振倍频后的时钟信号，并提供时钟源给A/D模块；DSP模块根据FPGA模块送来的电流值、位移值、转速值、内外两个框架各自的转速和位置值，分别采用基本控制算法、交叉反馈算法和前馈控制算法计算总控制量，并传回给FPGA模块，同时根据需要在线修改上述各控制算法中的参数；FPGA模块根据总控制量输出控制电压的PWM信号，驱动功放模块产生控制电流，实现陀螺转子稳定悬浮；

在采集电路中：A/D模块接收电流传感器接口电路调理的电流值，接收位移传感器接口电路调理的位移值，接收双框架转速/位置接口电路调理的内外两个框架各自的位置和转速值；D/A模块接收FPGA模块发送的陀螺转子信息，并发送给框架控制系统；

在通讯接口中：USB接口和RS232与FPGA模块通过双向工作的总线实现与上位机之间的数据交换；SPI接口在DSP模块控制下向框架控制系统发送陀螺转子的转动信息，并接收补偿内外两个框架不平衡振动各自的控制量。

所述的DSP模块首先根据位移参考中心值及电流参考值求取位移偏移值、电流偏差值，调用基本控制算法计算基本控制量；根据转速值调用交叉反馈算法计算交叉反馈量；根据内外两个框架各自的速度、位置值采用前馈控制算法对框架转动引起的转子位移跳动量计算前馈补偿量；将基本控制量、交叉反馈量和前馈补偿量合成为总控制量，并做限幅处理，再传回给FPGA模块；同时根据上位机的需要在线修改控制算法中的参数。

所述的集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统与框架控制系统之间采取两套通讯回路：FPGA模块利用D/A模块发送和A/D模块接收的功能，通讯已转成模拟量的磁轴承位移量与内外两个框架位置、转速值；SPI接口连接DSP模块的SPI同步串口，采用RS422差分传输协议，与框架控制系统之间传送数字的控制量，实现系统数字通讯接口的扩展和对外界噪声的隔离功能。

所述的上位机以串行方式接收由FPGA模块、USB接口构成的数据采集部分发送来的磁轴承位移值、电流值和总控制量，采用普通的串口调试工具即可实现在线监测和采集功能；上位机对DSP模块中需要修改的算法参数编写地址，形成串口通讯协议，通过RS232采用串口方式查询与修改控制参数，包括基本控制算法中的比例、积分和微分量，以及交叉反馈算法中低通和高通截止频率与交叉反馈比例系数。

所述的DSP模块、FPGA模块和A/D模块只用一个固定的晶振做外部时钟源，其中，DSP模块内部的锁相环将外部时钟倍频后输出成为系统时钟，提供给FPGA模块成为其时钟源，A/D模块的时钟源再由FPGA模块时钟分频得到。

本发明的原理是：本发明控制系统通过控制电路、采集电路实现了基本控制功能。如说明书附图2，为本发明控制系统的原理框图。FPGA模块和DSP模块构成的控制电路为核心部分。FPGA模块接收A/D模块的电流值、位移值和框架转速/位置值，通过总线与DSP模块连接，交换控制过程中各数据量；接收转速测量模块对霍尔传感器传来的转速信号滤波整形之后的数据，同时向D/A模块发送磁轴承的控制量；FPGA模块与FLASH和SRAM之间通过数据和地址总线连接，交换需要存储的数据。DSP模块中根据位移值和电流值、转速值、框架转速/位置信号，分别采用附图2中的基本控制算法、交叉反馈算法和前馈控制算法计算总控制量，并传回给FPGA模块，同时根据需要在线修改控制算法中的参数；FPGA模块根据总控制量输出PWM信号，驱动功放模块产生控制电流，实现陀螺转子稳定悬浮。

本发明中，框架控制系统为控制DGMSCMG内外两个框架转动的系统，由于运动学耦合且有两个框架自由度，需要与磁轴承之间交换运动信息，补偿磁轴承和框架相对运动造成的等效运动干扰。

本发明控制系统采用了两套回路实现框架通讯数据的传送：一是使用D/A模块和A/D模块双向传送陀螺转子转动与框架位置和速度信号，在数据线中的是模拟量值，易受到高频干扰，但使连线简单可靠，确保存在信号交换，通过滤波算法等即可得到原始信号；二是使用DSP的同步串口SPI功能，并且采用抑制噪声性能较好的RS422差分传输协议，数据线中是数字电平，实现系统数字通讯接口的扩展和对外界噪声的隔离功能，保证了框架信号高速、完整的传送，正确补偿框架转动的影响。两套回路互为冗余备份，信息相互补充，可靠的完成与框架控制系统之间的信息交换功能。

本发明控制系统利用控制电路和通讯接口实现数据采集和监控，并且在上位机中通过在线监测和数据采集算法完成对数据的采集与在线修改功能。

本发明控制系统采用FPGA模块和USB模块，实现在线监测和数据采集功能。FPGA模块内采集数据的算法先将位移值、电流值和控制量等数据进行采集、整理和打包，然后控制USB模块将数据向上位机传送，在上位机中显示各通道的位移、电流波形情况以便观察，同时显示基本控制量和交叉反馈量值及前馈补偿量。并且具备存储功能，满足后续的分析需求。本控制系统中，FPGA模块采用并行采集、串行发送的方式处理数据，上位机采用普通的串口调试工具即可实现功能，简化了上位机工作，增强了通用性能。

本发明控制系统利用FPGA模块和RS232模块实现在线修改功能。编写串口协议，实现上位机查询与修改控制参数，包括基本控制器中的比例、积分和微分量，以及交叉反馈中的低通和高通截止频率与交叉比例系数。串口协议包括了对串口的设置，即设定串口号和串口传输的速率；在文本框内显示控制量值；改变操作的控制量值的功能；通过对数据和地址的匹配校验，保证数据传送的可靠性，实现对DSP运算中控制量的在线修改。

本发明的方案与现有技术相比的主要优点在于：

(1)本发明将控制电路、采集电路和通讯接口集成在单个电路板系统上，实现闭环控制功能；与框架控制系统通过A/D模块、D/A模块传送模拟量、通过SPI接口传送数字量，保证可靠通讯获取框架信息，能够补偿框架运动提高控制精度；利用USB接口高速和RS232灵活的特点，简化上位机控制，普通串口程序即可完成数据的采集和在线修改功能，增强了系统功能，因此本发明是集控制、通讯、数据采集和在线监控于一体的高速、高精度双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统。

(2)本发明控制系统扩展DSP的同步串口SPI功能，采用RS422协议实现与框架控制系统之间的数字通讯，充分利用DSP芯片资源，增强了数字信号对外界噪声的抑制作用。

(3)本发明的FPGA模块扩展了外部串口，向上位机发送控制量，接受上位机修改后的控制量；FPGA模块扩展了USB的接口，发送在控制过程中产生的各项控制量和状态中间量，上位机接收、存储并用于后续分析。

(4)本发明利用一套系统实现磁轴承的控制、数据采集、在线监控于一体的功能，省掉了数据采集设备，成本低、体积小、重量轻，使用方便。

(5)本发明整套系统只使用一个外部晶振，提高了控制系统各模块间通讯的同步性。

总之，本发明的这种控制系统更加集成化，实现了磁悬浮双框架控制力矩陀螺全数字化控制。本发明的控制方式扩展了系统的性能，能可靠的接收框架控制系统的运动状态信息，有效抑制内外框架转动时对转子悬浮位置的扰动，提高了陀螺转子控制系统的精度。对于数字控制量采集和在线监测，以及在线修改方面提出了一整套解决方案，拓展并完善了控制系统的功能。

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模块程序流程图；

图4为本发明的DSP模块程序流程图；

图5为本发明的陀螺转子本体示意图；

图6为本发明中框架控制系统示意图；

图7为本发明的DSP模块电路原理图；

图8为本发明的FPGA模块电路原理图；

图9为本发明的电流传感器接口电路图；

图10为本发明的位置传感器接口电路图；

图11为本发明的转子转速测量电路图；

图12为本发明的A/D模块电路图；

图13为本发明的D/A模块电路图；

图14a为本发明的RS232、图14b为本发明的USB接口图；

图15为本发明的数据采集与监测流程图；

图16为本发明的在线修改设计流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，它由控制电路3、采集电路4和通讯接口2构成，其中控制电路3包括DSP模块31、FPGA模块32和Flash33、SRAM34、转速测量模块35；采集电路4包括D/A模块41、A/D模块42和双框架转速/位置接口电路43、位移传感器接口电路44、电流传感器接口电路45；通讯接口2包括USB接口21、RS232及SPI接口23：

FPGA模块32控制A/D模块42以7kHz的采样频率接收电流值、位移值、内外两个框架各自的转速和位置值。位移传感器11传来的位移电压信号最大值是6V，最小值是4V，而A/D模块42能接受的电压信号范围在0～5V，经过电压偏移和倍数缩小后才能送入A/D模块42。电流传感器接口电路45采取同样方式处理。双框架转速/位置接口电路43由高速光耦和运放组成的跟随器构成，实现信号的隔离和跟随功能。转速测量模块35对霍尔传感器传来的转子转速滤波整形，FPGA模块32接收处理后的转速值。

FPGA模块32将接收到的数据通过总线向DSP模块31发送，FPGA模块32根据DSP模块31中算法形成的总控制量输出PWM信号，驱动功放模块12产生控制电流，实现陀螺转子8稳定悬浮。FPGA模块32通过D/A模块41向框架控制系统5发送陀螺转子8的转动状态和转速值。FPGA模块32与上位机1之间由RS232连接，接收上位机1发送的控制量，再转发给DSP模块31以修改基本控制器中的比例、积分和微分系数，以及交叉反馈中的低通和高通截止频率与交叉比例系数。FPGA模块32采集控制中变量值，包括被控量参数信号、由DSP模块31计算的总控制量、输入的位移值与电流值，利用USB接口21发送到上位机。DSP模块31采用同步串口SPI功能，采用RS422差分传输协议与框架控制系统5之间传送补偿动框架效应所需的控制量。

SRAM34存储在运算和控制中的临时数据，选用IS61LV512，为512K×16bit；FLASH33存储系统的启动和故障情况，系统启动时间、启动后达到的最大转速与最大框架转速情况，选用SST39VF400，为256K×16bit。

DSP模块31、FPGA模块32、A/D模块42只用一个15M的晶振36做外部时钟源，系统时钟由DSP模块31内部锁相环将15M外部时钟5倍频后得到并由H1脚输出，FPGA模块32的时钟源由DSP模块31的H1脚提供，A/D模块42的时钟源由FPGA模块32时钟三分频得到。

如图2所示为本发明的控制原理框图，框图中的基本控制器、交叉反馈控制和前馈控制器在控制电路3中实现，功放模块12将电流转换成电压值经过采集电路2和控制电路3后形成电流闭环。位移传感器11检测的转子位移值经过采集电路2和控制电路3后在对应算法下形成位置闭环得到基本控制量和交叉反馈量。同时，控制电路3接受内框架、外框架的速度和位置值，在DSP模块31抑制动框架效应的算法下得到补偿框架转动的前馈补偿量，加上位置闭环控制算法后的量值得到总控制量，驱动功放模块12输出控制电流使磁轴承10产生电磁力，实现陀螺转子8稳定、高精度悬浮控制。

如图3所示，为本发明的FPGA模块32的程序流程，FPGA模块32完成加载配置信息后并行工作，同时进行6项任务：(a)转速测量。根据系统分频时钟，对转速信号进行计数，用16位除法器将计数值除以16，得到转速值；(b)PWM信号输出。根据DSP模块31通过总线传来的总控制量，计算占空比，加上死区时间，再根据过流保护的原则限制占空比小于90％，形成PWM信号输出；(c)控制A/D模块42。以7kHz定时启动A/D模块42，采样各个通道的数据，得到陀螺转子8位移值和电流值，再将结果平均滤波后发送给DSP模块31；(d)控制D/A模块41。以10kHz的频率启动D/A模块41，向框架控制系统5发送陀螺转子8位移值和电流值；(e)总线控制。在总线上输出数据和地址信号，首先实现与DSP模块31的通讯，发送转子位移值和电流值，并接受DSP模块31计算的总控制量；其次向FLASH33、SRAM34读取和发送数据，包括运算和控制中的临时数据、系统启动时间、启动后达到的最高转速与框架最大转速情况。(f)数据采集。根据上位机1传来的命令，对数据按照格式打包，加上帧头和帧尾，并启动USB模块21，通过USB21模块将打包好的数据传送给上位机1。

如图4所示，为本发明的DSP程序流程，控制算法都在DSP模块中完成。DSP开始工作后，首先进行初始化工作，然后进入定时中断等待时间，如果有定时中断启动则进入服务程序调用相关算法。首先读取总线上传来的位移值、电流值、转速和框架位置、速度值，根据设定的参考中心值求取位移偏差值、电流偏差值；输入位移偏差值，调用基本控制算法计算基本控制量；输入转速值，调用交叉反馈算法计算不同转速下的交叉反馈量；输入框架位置、速度信号，调用前馈控制算法对框架转动引起的转子位移跳动量进行补偿计算得到前馈补偿量；根据电流环的反馈将基本控制量、交叉反馈量和前馈补偿量合成为总控制量，并根据占空比不超过90％的原则将控制量限幅在2000；随后判断上位机是否要求修改控制量，如果需要则更新执行控制算法参数；最后完成向FPGA模块发送总控制量，便于其实现控制、数据采集和在线监测功能。

本发明的基本控制算法使用改进型的分散PID算法，即积分分离和不完全微分PID算法。其传递函数为：

$G\left(s\right)=K_P(1+\frac{1}{T_{I}s}+\frac{T_{D}s}{1+T_{f}s})$

其中，K_p为比例系数，T_I为积分系数，T_D为微分系数，T_f为加入到微分环节中的惯性环节的时间常数。

本发明使用的交叉反馈算法公式如下：

F_AX＝-[k_L(y_AL-y_BL)-k_H(y_AH-y_BH)]

F_AY＝+[k_L(x_AL-x_BL)-k_H(x_AH-x_BH)]

F_BX＝+[k_L(y_AL-y_BL)-k_H(y_AH-y_BH)]

F_BY＝-[k_L(x_AL-x_BL)-k_H(x_AH-x_BH)]

其中，F_AX为交叉反馈在A端X轴上的分量，F_AY、F_BX、F_BY依次类推；k_L为交叉反馈抑制进动的系数、k_H为交叉反馈抑制章动的系数；x_AL为A端X轴向位移量低通滤波的结果，x_AH、x_BL、x_BH、y_AL、y_AH、y_BL、y_BH依次类推。

本发明使用前馈控制算法的公式为：

$G_f=\frac{\sqrt{2}}{4}\frac{H}{l_m{k}_i{k}_w}{\left[\begin{array}{cccc}-1& 1& 1& -1\end{array}\right]}^T$

其中，G_f为采用的前馈环节，l_m为电磁铁中心到转子中心的水平距离、k_i为电流刚度、k_w为功放直流放大倍数，H为磁轴承的转子角动量。

如图5所示，为陀螺转子示意图，陀螺转子8分为A、B两端，A端有一对沿径向正交放置磁轴承10和位移传感器11，且后者在前者的外侧；陀螺转子8的B端配置与A端完全对称。

如图6所示，为框架控制系统5示意图，框架控制系统5包含驱动、数据接口、通讯模块和控制器四个部分。控制器控制驱动输出内框架、外框架控制信号，通过数据接口接受陀螺转子信号和发送框架信号，并通过通讯模块与磁轴承控制系统的DSP模块31通讯。

如图7、8所示，为本发明的DSP模块31和FPGA模块32控制模块的主控芯片。DSP31采用选用TI公司的TMS320VC33芯片，主频最高可达到150MHz，字长为32位，扩展精度为40位。FPGA模块32的硬件部分选用Xilinx的Spartan-3系列XC3S400芯片，此芯片集成40万门电路，满足管理控制外设所需的资源，I/O端口供电电压为3.3V，内核供电电压为1.2V，采用JTAG下载方式。

如图9所示，为本发明的电流传感器接口电路，通过调节电位器阻值，改变信号的放大倍数和电压偏移量，实现信号的调零调偏，将信号范围整理进入A/D模块电压范围。调理电路功放选用±5V供电的TLC2254，并组成有源二阶低通电路对信号滤波，截止频率为5kHz，由压差为0.2V的1N5817组成过压保护电路，限制输入量在A/D模块范围之内。

如图10所示，为本发明的位移传感器接口电路，该电路实现对位移电涡流传感器传送来的信号进行调理。其工作原理与电流传感器接口电路相同，选择TLC2254构成调理和滤波电路，1N5817组成过压保护电路。

如图11所示，为本发明的转速测量电路，检测转速值。转速值经过高速光耦隔离驱动，在斯密特触发器74HCl4的触发下形成标准方波进入FPGA模块。高速光耦选用TI的6N137，最高开关时间为75ns。

如图12所示，为本发明的A/D转换电路。A/D转换芯片选用TI公司的AD7938，该芯片精度为12位，并行输出，可8通道同时采样。选用两片AD7938，输入有16通道，单通道采样率为183kHz，满足DGMSCMG轴承控制所需采样率(10KHz)的需求。A/D芯片输出电压选用3.3V，省去与FPGA连接时所需的电平转换电路。

如图13所示，为本发明的D/A电路，实现向框架提供前馈所需信息的功能。DA芯片采用TI公司的TLV5614。TLV5614基准电压由超精密电源芯片MAX6126提供，其输出电压精度为0.001V。

如图14所示，为本发明的RS232接口、USB接口，该电路实现FPGA模块与上位机通讯。RS232的芯片选用MAX232，采用+5V供电。USB芯片选用FT245BM，在内部硬件逻辑的作用下实现USB串行与并行数据格式的双向转换。上位机通过USB接口与FT245BM进行数据交换，FT245BM则通过串行方式与下位控制器通信。本系统用FPGA模块控制FT245BM握手信号实现USB芯片上位机数据传输。

如图15所示，为本发明的数据采集与监测流程图，在启用数据采集与监测之后，按照流程图进行数据采集：

(1)在上位机中设定串口通道号和存储的文件夹与文件名称。上位机和USB接口通过USB线或串口线连接。如果上位机通过USB线与控制系统连接，则设置虚拟串口将连接的USB口设定为串口通道3；如果上位机通过串口线与控制系统连接，则设置为串口通道1。本软件设定的默认文件夹在安装文件夹下，默认为按照日期形成文件名为“年-月-日-时”的.txt文件。将数据以矩阵形式记录，按照采样时间顺序依次以列向量连续记录，矩阵的行向量数据中间以2个空格隔开，分别为转子的位移值、电流值、控制器输出值和交叉反馈计算值共4组数据，每组对应径向的AX、AY、BX、BY端和轴向Z端的5个数据，共20个。

(2)在FPGA模块中进行参数初始化，包括开辟并清空FPGA模块中的临时存储区域，关联需要存储的变量到存储区域中；设定采样参数，为设定采集数据的采样频率。采样频率在7kHz～100kHz之间：最低值是根据奈奎斯特采样定律选定的有效采样频率，而过高的采样频率会挤占控制器的运算时间。

(3)FPGA模块进行数据采集工作。FPGA模块分别采集A、B端各自的x、y轴向与z轴的位移、电流值共10路信号，每一路为16bit；采集当前转速值有一路，为8bit；采集控制器中的控制器数字输出量共5路，分别为16bit；采集交叉反馈的低通和高通为2路，分别为16bit。数据存入数据暂存区，按照时间顺序依次编排。

(4)在FPGA模块中，采集的数据进行打包处理。对存储区的数据按照先入先出的原则加上帧头帧尾；有效数据总共为488bit，帧头为从时间开始的帧数编号和鉴别帧有效的开始位，为16bit。帧尾为帧结束位和校验和位，包括32位。

(5)FPGA模块驱动USB接口正常工作，以时间顺序、串行方式向上位机发送经过整理之后的数据；

(6)上位机通过串口调试工具接收数据，并按照设定的文件夹路径和文件名称，以规定的格式存储数据；

(7)在上位机中，可以对数据进行实时显示：有“波形显示”和“数字显示”两种，还可以显示经过分析算法之后的波形情况，有“FFT变换”和“李沙育图形”两种。(7.1)“波形显示”将选择的通道值以波形的形式显示出来，反映了陀螺转子当前时刻的位置情况；(7.2)“数字显示”将控制器中的数字变量在数字显示框中显示，可以显示“控制器输出量”和“交叉反馈量”两项。控制器输出量无单位，显示为控制器中计算的量值，为整型6个数字；交叉反馈量与控制器输出量相同显示。(7.3)“FFT变换”在波形显示窗口附加显示快速傅立叶变换。通过快速傅立叶变换，可以看到指定通道的频率组成，及每个频率所占的分贝数大小。(7.4)“李沙育图形”显示转子A端或者B端的位移情况，选择显示A端时，则将AX通道的波形数据作为波形显示的X轴分量，而将AY通道的波形数据作为波形显示的Y轴分量。反映了当前时刻陀螺转子A端整体的位置情况。对于B端情况以此类推。

如图16，为本发明的在线修改的设计流程图，实现修改DSP控制算法中的量值，达到实时改变控制算法的目的。

(1)流程功能开始，设定串口属性，包括上位机与控制器连接对应的串口，选择“com1”或者“com2”，设定波特率，有4800、9600、19200bit/s三种。

(2)操作的控制量包括交叉高通值、交叉低通值、比例系数、微分系数、积分系数这5项，上述控制量值在DSP中对应依次递增的地址空间，根据上位机发送来的地址即可识别不同的控制量；

(3)上位机显示选中的控制量之后，通过查询功能，将选中的控制量发送给FPGA模块，FPGA模块再将此控制量在DSP算法中的值提取并返回给上位机，则在文本框中显示选中的控制量当前值。

(4)上位机如果修改当前控制量，则将此控制量的名称与修改的值发送给FPGA模块，并且加入校验和。FPGA模块在校验正确之后，将修改后的值通过总线发送给DSP修改其算法中的值，实现改变控制算法，修改算法在线调试系统的目的。修改控制量只有-1和+1两个选择，即将选中的控制量进行加、减一个单位值。

(5)上位机中有可以继续操作和退出的功能。继续操作可以重复显示控制值和修改控制值，或者选择新的控制量进行操作。退出将退出在线修改系统。

本发明虽为双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁悬浮轴承控制系统，但也可以作为一种通用的控制器，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。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，其特征在于：由控制电路(3)、采集电路(4)和通讯接口(2)、上位机(1)构成，其中，控制电路(3)包括DSP模块(31)、FPGA模块(32)、Flash(33)、SRAM(34)、转速测量模块(35)和晶振(36)；采集电路(4)包括D/A模块(41)、A/D模块(42)、双框架转速/位置接口电路(43)、位移传感器接口电路(44)和电流传感器接口电路(45)；通讯接口(2)包括USB接口(21)、RS232(22)和SPI接口(23)：

(a)在控制电路(3)中：FPGA模块(32)接收A/D模块(42)的电流值、位移值、内外两个框架各自的转速和位置值，通过总线与DSP模块(31)连接，交换控制过程中上述各数据量；接收转速测量模块(35)对霍尔传感器(9)传送的转速信号经过滤波整形后的转速值，同时向D/A模块(41)发送磁轴承的控制量；FPGA模块(32)与FLASH(33)和SRAM(34)之间通过数据和地址总线连接，交换需要存储的数据；FPGA模块(32)接收由DSP模块(31)对晶振(36)倍频后的时钟信号，并提供时钟源给A/D模块(42)；DSP模块(31)根据FPGA模块(32)送来的电流值、位移值、转速值、内外两个框架各自的转速和位置值，分别采用基本控制算法、交叉反馈算法和前馈控制算法计算总控制量，并传回给FPGA模块(32)，同时根据需要在线修改上述各控制算法中的参数；FPGA模块(32)根据总控制量输出PWM信号，驱动功放模块(12)产生控制电流，实现陀螺转子(8)稳定悬浮；

(b)在采集电路(4)中：A/D模块(42)接收电流传感器接口电路(45)调理的电流值，接收位移传感器接口电路(44)调理的位移值，接收双框架转速/位置接口电路(43)调理的内外两个框架各自的位置和转速值；D/A模块(41)接收FPGA模块(32)发送的陀螺转子(8)信息，并发送给框架控制系统(5)；

(c)在通讯接口(2)中：USB接口(21)和RS232(22)与FPGA模块(32)通过双向工作的总线实现与上位机(1)之间的数据交换；SPI接口(23)在DSP模块(31)控制下向框架控制系统(5)发送陀螺转子(8)的转动信息，并接收补偿内外两个框架不平衡振动各自的控制量。

2.根据权利要求1所述的集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，其特征在于：所述的DSP模块(31)首先根据位移参考中心值及电流参考值求取位移偏差值、电流偏差值，调用基本控制算法计算基本控制量；根据转速值调用交叉反馈算法计算交叉反馈量；根据内外两个框架各自的速度、位置值采用前馈控制算法对框架转动引起的转子位移跳动量计算前馈补偿量；将基本控制量、交叉反馈量和前馈补偿量合成为总控制量，并做限幅处理，再传回给FPGA模块(32)；同时根据上位机(1)的需要在线修改控制算法中的参数。

3.根据权利要求1所述的集成化的双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，其特征在于：磁轴承控制系统与框架控制系统(5)之间采取两套通讯回路：FPGA模块(32)利用D/A模块(41)发送和A/D模块(42)接收的功能，相互通讯已转成模拟量的陀螺转子(8)位移量与内外两个框架位置、转速值；SPI接口(23)连接DSP模块(31)的SPI同步串口，采用RS422差分传输协议，与框架控制系统(5)之间传送数字控制量，实现系统数字通讯接口的扩展和对外界噪声的隔离功能。

4.根据权利要求书1所述的集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，其特征在于：所述的上位机(1)以串行方式接收由FPGA模块(32)、USB接口(21)构成的数据采集功能部分发送的磁轴承位移、电流和控制量数据，采用普通的串口调试工具即可实现在线监测和采集功能；上位机(1)对DSP模块(31)中需要修改的算法参数编写地址，形成串口通讯协议，通过RS232(22)采用串口方式查询与修改控制参数，包括基本控制算法中的比例、积分和微分量，以及交叉反馈算法中低通和高通截止频率与交叉反馈比例系数。

5.根据权利要求1所述的集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，其特征在于：所述的DSP模块(31)、FPGA模块(32)和A/D模块(42)只用一个固定的晶振(36)做外部时钟源，其中，DSP模块(31)的内部锁相环将外部时钟倍频后输出成为系统时钟，提供给FPGA模块(32)成为其时钟源，A/D模块(42)的时钟由FPGA模块(32)时钟分频得到。

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