CN101734379A

CN101734379A - 一种基于fpga的微小飞轮高集成度高精度控制系统

Info

Publication number: CN101734379A
Application number: CN200910243819A
Authority: CN
Inventors: 房建成; 姜丽婷; 刘刚; 韩邦成; 王志强; 张聪; 王灿
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: CN101734379B

Abstract

一种基于FPGA的微小飞轮高集成度高精度控制系统主要由直流电源、数字控制器、三相桥集成驱动芯片、永磁无刷直流电动机、电流检测装置、位置检测装置组成。本发明以高可靠性、并行运行的FPGA芯片作为控制器，通过VHDL语言在FPGA上实现数字计算单元、PID控制、换相逻辑、PWM、RS232串口通信、转速测量以及电流的A/D采样触发等时序逻辑功能，与其他专用集成数字处理器相比具有编程灵活，程序可靠性高，实时性好的优点。本发明硬件电路高度集成化，将三相全桥逆变器及其驱动电路都集成到一片三相桥集成驱动芯片，实现了微小飞轮用无刷直流电机的高集成度高精度稳速控制。

Description

一种基于FPGA的微小飞轮高集成度高精度控制系统

技术领域

本发明涉及基于FPGA的微小飞轮高集成度高精度控制系统，用于微小飞轮永磁无刷直流电动机的高精度控制，特别适用于微小卫星姿态控制执行机构的驱动部件的高可靠性、高精度、低功耗控制。

背景技术

随着空间技术的发展，微纳卫星技术已成为最活跃、最富于挑战性的空间技术。微小飞轮是微纳卫星高精度姿态稳定控制系统的核心执行机构。微小飞轮及其控制系统具有集成化、质量轻、结构复杂且尺寸小的特点，提高微小飞轮控制系统的集成度和控制精度则成为系统控制的重要指标。

微小飞轮的控制普遍使用力矩控制或速度控制。力矩控制方式简单而实用，在测速精度不太高的情况下仍能提供较高的控制精度。国内外的微小飞轮大多选用力矩模式的控制方式。该控制方式多以飞轮电机的电枢电流作为反馈量，因其反馈回路中不包含飞轮动力学部分，因此对飞轮控制特性无改善，特别是对摩擦力矩无补偿能力，并且无法抑制扰动力矩，类似于开路控制，难以实现较高的输出力矩精度。文献(自李连军，戴金海.反作用轮低速特性观测补偿方法.国防科技大学学报.2005，27(01)：40-43)中提出一种基于状态观测器的反作用轮低速特性补偿方法，但由于状态观测矩阵过于复杂，计算量大，可靠性低，采用速率补偿的方法可提高飞轮输出力矩精度。在微小飞轮数字控制系统的实现方面，目前大多由单片机或DSP实现。单片机在算法实现上速度较慢，无法满足高速实时控制要求。DSP虽然在算法实现上速度快，但外围电路较复杂，不易满足微小飞轮电路小型化的要求。并且由于DSP芯片采用中断工作模式对信号的处理、传输都存在一定的滞后，影响了电机控制的精度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服了现有技术的不足，提出了一种基于多开关霍尔的速率反馈干扰力矩补偿方法，并设计一种以FPGA为核心的控制系统，提高微小飞轮集成度及输出力矩精度。

本发明的技术解决方案：由直流电源、数字控制器、三相桥集成驱动芯片、永磁无刷直流电动机、电流检测装置、位置检测装置组成基于FPGA的微小飞轮高集成度高精度控制系统。稳恒直流电源提供给三相桥集成驱动芯片一个恒定电压，保证三相桥集成驱动芯片的供电正常；三相桥集成驱动芯片接永磁无刷直流电动机，用于永磁无刷直流电动机正常工作；位置检测装置用于检测永磁无刷直流电动机转子位置信号，将其送入数字控制器；检测电阻R接在三相桥集成驱动芯片与地之间，用于检测永磁无刷直流电动机的绕组电流，测得的电流通过电流检测装置得到电流的数字信号送到数字控制器，用于作为电流环的PID运算的反馈量；数字控制器包括转速测量，电流环运算，A/D采样控制，力矩补偿器，异步串口，换相逻辑六个并行的程序模块，数字控制器采用速率补偿的力矩模式控制方法，转速测量模块用位置检测装置送来的转子位置信号计算得到速率值，可得速率的反馈值，异步串口模块负责上位机的力矩指令，力矩指令经过一个积分环节，再乘以1/J后则为速率的指令值，其中J为飞轮转子的惯性矩，力矩补偿器将速率指令值与位置检测装置的速率反馈值比较并运算，得到所需的补偿力矩Tf1，Tf1与指令力矩相加，再乘以转换系数k则等效为电流环的电流给定值，电流环运算模块将电流给定值与电流检测装置采得的电流反馈值比较，得到一个电流调节量，并与所设载波进行比较，当载波低于电流调节量时输出低电平，高于电流调节量时输出高电平，最终生成脉宽调制信号PWMT，换相逻辑模块根据换相表产生换相信号IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、IN6，其中IN4、IN5、IN6与PWMT相与后得到EN1、EN2、EN3，将信号IN1、IN2、IN3、EN1、EN2、EN3用于控制三相桥集成驱动芯片中的三相全桥换相，其中EN1、EN2、EN3还起到脉宽调制的作用，控制电机中绕组的电流的大小，实现对飞轮输出力矩的控制。

所述的基于数字控制器全由FPGA实现，利用VHDL语言在FPGA上实现了转速测量，电流环运算，A/D采样控制，力矩补偿器，异步串口以及换相逻辑的时序逻辑功能。

所述的三相桥集成驱动芯片由三组开关管组成，控制信号EN1为开关管11和12的使能信号，当EN1为低时，开关管11和开关管12全部关断；当EN1为高时，若IN1为高，则上管11导通，下管12关断，若IN1为低，则上管11关断，下管12导通。控制信号EN2为开关管21和22的使能信号，当EN2为低时，开关管21和开关管22全部关断；当EN2为高时，若IN2为高，则上管21导通，下管22关断，若IN2为低，则上管21关断，下管22导通。控制信号EN3为开关管31和32的使能信号，当EN3为低时，开关管31和开关管32全部关断；当EN3为高时，若IN3为高，则上管31导通，下管32关断，若IN3为低，则上管31关断，下管32导通。

所述的位置检测装置由霍尔位置传感器、低通滤波器和整形电路组成，霍尔位置传感器检测永磁无刷直流电机转子位置信号，经低通滤波器滤波、整形电路整形后输出送至数字控制器，用于控制永磁无刷直流电动机的换相及产生速率反馈补偿干扰力矩，提高微小飞轮的力矩输出精度。

本发明的原理是：系统以FPGA为平台搭建数字控制器，以霍尔效应位置传感器提供速率反馈信号，FPGA芯片根据设定的采样速率触发AD转换芯片对电流信号进行采样，转换结果读入FPGA芯片中。整个控制系统采用力矩模式的控制方法，先对力矩指令积分，可得速率的指令值，将其与测速装置反馈回来的实际速度信号比较后，将差值送入补偿用的力矩补偿器，得到所需的补偿力矩Tf1，与指令力矩相加，再乘以转换系数k得到电流环的电流给定值，将电流给定值与电流检测装置采得的电流反馈值比较，得到一个电流调节量，并与所设载波进行比较，当载波低于电流调节量时输出低电平，高于电流调节量时输出高电平，最终由FPGA生成PWMT信号，PWMT与换相信号IN4、IN5、IN6相“与”后得到EN1、EN2、EN3输出，则EN1、EN2、EN3可起到脉宽调制的作用，控制电机中绕组的电流的大小，来实现对飞轮输出力矩的高精度控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)以FPGA芯片作为系统的控制器，以其并行运算的优点，减少系统运行周期提高了系统的采样频率，减小系统信号处理和传输的滞后，减小了系统的硬件误差，并利于实现控制系统的小型化。

(2)使用一片三相桥集成驱动芯片，代替六个MOSFET管及其驱动电路组成的三相全桥逆变器，硬件电路高度集成化，同时可降低系统功耗。

(3)采用速率补偿的方法，以速率反馈补偿系统的干扰力矩，实现系统的高精度控制。

附图说明

图1为本发明的控制系统结构图；

图2为图1的数字控制器原理框图；

图3为本发明的运算流程图；

图4为图1的三相桥集成驱动芯片结构原理图。

具体实施方式

本实施例中，输入稳恒直流电压28V，微小飞轮电机为6对极三相永磁无刷直流电机，飞轮电机定子间隔30°电角度放置12个开关式霍尔传感器用于转速的测量。本发明中电机相电阻R₁＝0.4Ω，相电感Lm＝4.8μH，PWM调制频率20KHz。数字控制器采用Altera公司的EPF10K30。

如图1所示，本实施例主要由直流电源2、数字控制器6、三相桥集成驱动芯片1、永磁无刷直流电动机3、电流检测装置5、位置检测装置4组成。稳恒直流电源2提供给三相桥集成驱动芯片1一个恒定电压，三相桥集成驱动芯片1中集成了星形三相六状态逆变器及它的驱动电路，三相桥集成驱动芯片1接永磁无刷直流电动机3，位置检测装置4用于检测永磁无刷直流电动机3转子位置信号，将其送入数字控制器6，检测电阻R在三相桥集成驱动芯片1与地之间，用于检测永磁无刷直流电动机绕组电流，测得的电流通过电流检测装置5得到电流的数字信号送到数字控制器6，用于作为电流环的PID运算的反馈量。

如图2所示，本发明的数字控制器6包括转速测量，电流环运算，A/D采样控制，力矩补偿器，异步串口，换相逻辑六个并行的程序模块，数字控制器6采用速率补偿的力矩模式控制方法，转速测量模块用位置检测装置4送来的转子位置信号计算得到速率值，可得速率的反馈值，异步串口模块负责上位机的力矩指令，力矩指令经过一个积分环节，再乘以1/J后则为速率的指令值，其中J为飞轮转子的惯性矩，力矩补偿器将速率指令值与位置检测装置4的速率反馈值比较并运算，得到所需的补偿力矩Tf1，Tf1与指令力矩相加，再乘以转换系数k则等效为电流环的电流给定值，电流环运算模块将电流给定值与电流检测装置5采得的电流反馈值比较，得到一个电流调节量，并与所设载波进行比较，当载波低于电流调节量时输出低电平，高于电流调节量时输出高电平，最终生成脉宽调制信号PWMT，换相逻辑模块根据换相表产生换相信号IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、IN6，其中IN4、IN5、IN6与PWMT相与后得到EN1、EN2、EN3，将信号IN1、IN2、IN3、EN1、EN2、EN3用于控制三相桥集成驱动芯片1中的三相全桥换相，其中EN1、EN2、EN3还起到脉宽调制的作用，控制电机中绕组的电流的大小，实现对飞轮输出力矩的控制。

如图1所示，本发明所述的位置检测装置4由霍尔位置传感器41、低通滤波器42和整形电路43组成，其中霍尔位置传感器61安装在永磁无刷直流电动机3的定子中，用于检测永磁无刷直流电机3转子位置信号，其输出由低通滤波器42进行滤波、整形电路43进行整形后输出方波信号送入数字控制器6，用于控制永磁无刷直流电动机3的换相及调速。

如图1所示，本发明所述的电流检测装置5由运算放大电路51和A/D转换电路52组成，在三相桥集成驱动芯片和地之间加了0.1Ω的检测电阻R，用于检测绕组电流。采得的电流值送入运算放大电路51中进行放大，再将放大后的电流值送入A/D转换电路52中转换为数字量，送入数字控制器6，作为电流环的反馈量。

如图3所示，本发明所述的数字控制器6由单片FPGA实现，其中FPGA采用EPF10K40，运算流程共包括转速测量，电流环运算，A/D采样控制，力矩补偿，异步串口，换相逻辑六个并行的程序模块；上电运行后，首先在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；异步串口模块负责上位机的力矩指令，A/D采样模块控制将绕组电流的数字信号采样送入FPGA，转速测量模块对霍尔脉冲进行计数，算得当前转速值，力矩补偿模块对反馈速率和指令速率进行比较，算得补偿电流，电流环模块将补偿电流与指令电流相加后得到电流环的电流给定值，将电流给定值与电流反馈值比较，得到一个电流调节量，并与所设载波进行比较，当载波低于电流调节量时输出低电平，高于电流调节量时输出高电平，最终生成PWMT信号。

如图4所示，三相桥集成驱动芯片1由三组开关管组成，控制信号EN1为开关管11和12的使能信号，当EN1为低时，开关管11和开关管12全部关断；当EN1为高时，若IN1为高，则上管11导通，下管12关断，若IN1为低，则上管11关断，下管12导通。控制信号EN2为开关管21和22的使能信号，当EN2为低时，开关管21和开关管22全部关断；当EN2为高时，若IN2为高，则上管21导通，下管22关断，若IN2为低，则上管21关断，下管22导通。控制信号EN3为开关管31和32的使能信号，当EN3为低时，开关管31和开关管32全部关断；当EN3为高时，若IN3为高，则上管31导通，下管32关断，若IN3为低，则上管31关断，下管32导通。

由本微小飞轮电机控制系统为一般电机控制系统结构，其它未经说明的部分为一般工程常识。

Claims

1.基于FPGA的微小飞轮高集成度高精度控制系统，其特征在于包括：三相桥集成驱动芯片(1)、直流电源(2)、永磁无刷直流电动机(3)、位置检测装置(4)、电流检测装置(5)、数字控制器(6)；稳恒直流电源(2)提供给三相桥集成驱动芯片

(1)一个恒定电压，保证三相桥集成驱动芯片(1)的供电正常；三相桥集成驱动芯片

(1)接永磁无刷直流电动机(3)，用于永磁无刷直流电动机正常工作；位置检测装置

(4)用于检测永磁无刷直流电动机(3)转子位置信号，将其送入数字控制器(6)；检测电阻R接在三相桥集成驱动芯片(3)与地之间，用于检测永磁无刷直流电动机(3)的绕组电流，测得的电流通过电流检测装置(5)得到电流的数字信号送到数字控制器(6)，用于作为电流环的PID运算的反馈量；数字控制器(6)包括转速测量，电流环运算，A/D采样控制，力矩补偿器，异步串口，换相逻辑六个并行的程序模块，数字控制器(6)采用速率补偿的力矩模式控制方法，转速测量模块利用位置检测装置(4)送来的转子位置信号计算得到速率值，可得速率的反馈值，异步串口模块负责上位机的力矩指令，力矩指令经过一个积分环节，再乘以1/J后则为速率的指令值，其中J为飞轮转子的惯性矩，力矩补偿器将速率指令值与位置检测装置(4)的速率反馈值比较并运算，得到所需的补偿力矩Tf1，Tf1与指令力矩相加，再乘以转换系数k则等效为电流环的电流给定值，电流环运算模块将电流给定值与电流检测装置(5)采得的电流反馈值比较，得到一个电流调节量，并与所设载波进行比较，当载波低于电流调节量时输出低电平，高于电流调节量时输出高电平，最终生成脉宽调制信号PWMT，换相逻辑模块根据换相表产生换相信号IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、IN6，其中IN4、IN5、IN6与PWMT相与后得到EN1、EN2、EN3，将信号IN1、IN2、IN3、EN1、EN2、EN3用于控制三相桥集成驱动芯片(1)中的三相全桥换相，其中EN1、EN2、EN3还起到脉宽调制的作用，控制电机中绕组的电流的大小，实现对飞轮输出力矩的控制。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的微小飞轮的高集成度高精度控制系统，其特征在于：所述的数字控制器(6)由单片FPGA实现，利用VHDL语言在FPGA上实现了转速测量，电流环运算，A/D采样控制，力矩补偿器，异步串口以及换相逻辑的时序逻辑功能。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的微小飞轮的高集成度高精度控制系统，其特征在于：所述的三相桥集成驱动芯片(1)由三组开关管(11、12、13、14、15、16)组成，控制信号EN1为第一组开关管(11、12)的使能信号，当EN1为低时，第一组开关管(11、12)全部关断；当EN1为高时，若IN1为高，则第一组开关管中的上管(11)导通，下管(12)关断，若IN1为低，则上管(11)关断，下管(12)导通；控制信号EN2为第二组开关管(21、22)的使能信号，当EN2为低时，第二组开关管(21、22)全部关断；当EN2为高时，若IN2为高，则第二组开关管中的上管(21)导通，下管(22)关断，若IN2为低，则上管(21)关断，下管(22)导通；控制信号EN3为第三组开关管(31、32)的使能信号，当EN3为低时，第三组开关管(31、32)全部关断；当EN3为高时，若IN3为高，则第三组开关管中的上管(31)导通，下管(32)关断，若IN3为低，则上管(31)关断，下管(32)导通。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的微小飞轮的高集成度高精度控制系统，其特征在于：所述的位置检测装置(4)由霍尔位置传感器(41)、低通滤波器(42)和整形电路(43)组成，霍尔位置传感器(41)检测永磁无刷直流电机(3)转子位置信号，经低通滤波器(42)滤波、整形电路(43)整形后输出送至数字控制器(6)，用于控制永磁无刷直流电动机(3)的换相及产生速率反馈补偿干扰力矩。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的微小飞轮的高集成度高精度控制系统，其特征在于：所述的检测电阻R的阻值范围为0.1Ω～1Ω。