CN103825513A

CN103825513A - 一种航天机构匀速转动系统

Info

Publication number: CN103825513A
Application number: CN201310663426.0A
Authority: CN
Inventors: 施未勋; 吕利清; 徐红新; 史耀强; 徐建萍
Original assignee: Shanghai Aerospace Measurement Control Communication Institute
Current assignee: Shanghai Aerospace Measurement Control Communication Institute
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-05-28

Abstract

本发明提供了一种航天机构匀速转动系统，其包括一上位机、伺服驱动器、无刷直流电机与反馈对象旋变器；其中上位机用于向所述伺服驱动器发送控制指令信号并接受其反馈的遥测信号；伺服驱动器，接受并分解所述控制指令信号并根据所述控制指令信号控制所述无刷直流电机转动；无刷直流电机，在所述伺服驱动器的控制下按照一定的方向和恒定的转速进行转动；反馈对象旋变器，实时检测所述无刷直流电机的角度信号并发送给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器根据所述角度信号控制所述无刷直流电机使其保持恒定的转动速度。本发明采用FPGA作为伺服控制器的核心控制模块，大大简化了外围模块电路的设计，接口电路简单，可操作性强，整个系统可靠性和稳定性高。

Description

一种航天机构匀速转动系统

技术领域

本发明涉及一种航天机构匀速转动系统，特别是一种采用FPGA作为伺服控制器核心控制器件的航天机构匀速转动系统。

背景技术

在常用的伺服控制方法中，常常采用单片机或DSP作为控制核心器件来控制驱动机构。单片机控制的优点是成本小，但由于其内部资源有限，控制算法相对简单，不能进行实时处理和跟踪控制，一般用于开环控制。DSP控制的优点是可进行较复杂的控制算法计算并可实时处理及跟踪控制，可适用于伺服控制中的闭环控制，一般领域应用较多。如在航天领域应用，则其成本昂贵，国内无法采购到能满足航天领域要求的高等级器件，需进行抗辐加固处理，并要结合外围电路进行实时的EDAC校验（海明校验，能纠1检2），实现复杂。

通常，国内外的伺服控制方法都应用于地面设备，鉴于航天领域的特殊性，国内没有收集到可应用于航天领域的匀速转动的控制方法，国外航天领域以综合处理器来实现控制的较多，与本发明的控制方法不同。

发明内容

本发明提供了一种航天机构匀速转动系统，其包括一上位机、伺服驱动器、无刷直流电机与反馈对象旋变器；

所述上位机，用于向所述伺服驱动器发送控制指令信号并接受其反馈的遥测信号；

伺服驱动器，接受并分解所述控制指令信号并根据所述控制指令信号控制所述无刷直流电机转动；

无刷直流电机，在所述伺服驱动器的控制下按照一定的方向和恒定的转速进行转动；

反馈对象旋变器，实时检测所述无刷直流电机的角度信号并发送给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器根据所述角度信号控制所述无刷直流电机使其保持恒定的转动速度。

较佳的，所述伺服驱动器包括电源板、控制板与驱动板，所述电源板为所述控制板与无刷直流电机供电，所述控制板完成指令解码后发送相应的电机驱动信号给所述驱动板，所述驱动板接受所述电机驱动信号并根据所述桥臂控制信号驱动所述无刷直流电机转动。

较佳的，所述电源板包括一滤波器以及与所述滤波器连接的第一DC-DC电流转换器、第二DC-DC电流转换器，所述第一DC-DC电流转换器为所述控制板供电，所述第二DC-DC电流转换器为所述无刷直流电机供电。

较佳的，所述控制板包括一FPGA，所述FPGA的功能包括指令解码、PI控制算法、前馈控制算法、PWM控制、遥测、遥测编码及对外通讯。

较佳的，所述控制板还包括电平驱动模块、旋变模块与电流采样模块，所述旋变模块接受所述反馈对象旋变器获得的角度信号并发送给所述FPGA，所述电流采样模块对所述驱动板的电流进行采样并将采样电流反馈给所述FPGA。

较佳的，所述驱动板包括光耦隔离模块、驱动电路模块，所述控制板、光耦隔离模块以及驱动电路模块依次连接，所述控制板将电机驱动信号通过所述光耦隔离模块去干扰后发送给所述驱动电路模块，所述驱动电路模块控制所述无刷直流电机转动。

较佳的，所述驱动板还包括隔离运放模块，所述驱动电路模块通过采样电阻与所述隔离运放单元连接，所述采样电阻获取所述驱动电路的采样电流并通过所述隔离运放单元处理后反馈给所述控制板。

较佳的，所述上位机通过RS-422串口与所述伺服驱动器传送信号。

本发明采用FPGA作为伺服控制器的核心控制模块，由FPGA实现指令解码、匀速驱动算法及控制、遥测、遥测编码及对外通讯功能，能大大简化了外围模块电路的设计，接口电路简单，可操作性强，整个系统可靠性和稳定性高；

本发明提供的航天机构匀速转动系统能够在宇航环境中承受高辐射和恶劣环境的影响，整个伺服控制系统可靠性和稳定性高，整个系统的控制稳定度在0.1%，波动范围小。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的航天机构匀速转动系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的伺服控制器的电源板的原理示意图；

图3是本发明实施例提供的伺服控制器的控制板的原理示意图；

图4是本发明实施例提供的伺服控制器的驱动板的原理示意图；

图5是本发明实施例提供的伺服控制器的FPGA的工作流程示意图；

图6是本发明实施例提供的伺服控制器FPGA的PI控制算法流程示意图；

图7是本发明实施例提供的伺服控制器两个MOS管上臂PWM控制实测波形图；

图8是本发明实施例提供的航天机构匀速转动系统的转速稳定度实测波形图。

具体实施例

本发明实施例提供了一种航天机构匀速转动系统，如图1所示，其包括一上位机、伺服驱动器、无刷直流电机与反馈对象旋变器；

其中所述伺服驱动器包括电源板、控制板与驱动板，所述电源板为所述控制板与无刷直流电机供电，所述控制板完成指令解码后发送相应的电机驱动信号给所述驱动板，所述驱动板接受所述电机驱动信号驱动所述无刷直流电机转动。

本实施例中反馈对象旋变器的功能通过如图1所示的旋转变压器实现的。

在实施前，根据用户需求编写通讯软件指令协议，如帧格式、帧内容含义及通讯时间。上位机根据用户需求通过RS-422串口向伺服驱动器发送控制指令信号，不同的控制指令信号对应不同的转动速度。伺服驱动器通过RS-422串口接收上位机发送的控制指令信号，并按通讯协议进行指令分解，获得用户想要的转动速度，在FPGA内启动电机驱动信号，并通过反馈对象旋变器实时反馈的角度信号，在FPGA内换算成速度量，并进行归一化处理，把处理后的速度值与设定速度值相比较，加入PI控制算法、前馈控制算法和PWM控制，使输出的速度控制值无限接近设定速度值，最终控制无刷直流电机驱动机构按一定的方向和恒定的转速进行转动。同时按通讯软件协议进行遥测编码，通过RS-422串口实时发送遥测信号给上位机。

本实施例提供的伺服驱动器包括电源板、控制板与驱动板，所述电源板为所述控制板与无刷直流电机供电，所述控制板完成指令解码后发送相应的电机驱动信号给所述驱动板，所述驱动板接受所述电机驱动信号驱动所述无刷直流电机转动。

如图2所示，所述电源板包括一滤波器以及与所述滤波器连接的第一DC-DC电流转换器、第二DC-DC电流转换器，所述第一DC-DC电流转换器为所述控制板供电，所述第二DC-DC电流转换器为所述无刷直流电机供电。本实施例中，所述电源板通过供电单元获取28V的工作电压，通过保险电路后发送给滤波器；其中第一DC-DC包括两个部分的输出，分别为5V的电压输出以及正负15V的电压输出；第二DC-DC输出28V的电压为无刷直流电机供电。

如图3所示，所述控制板包括FPGA、电平驱动模块、旋变模块与电流采样模块，所述旋变模块接受所述反馈对象旋变器获得的角度信号并发送给所述FPGA，所述电流采样模块对所述驱动板的电流进行采样并将采样电流反馈给所述FPGA。其中FPGA用于实现指令解码、PI控制算法、前馈控制算法、PWM控制、遥测、遥测编码及对外通讯功能。

如图4所示，所述驱动板包括光耦隔离模块、驱动电路模块，所述控制板、光耦隔离模块以及驱动电路模块依次连接，所述控制板将桥臂控制信号通过所述光耦隔离模块去干扰后发送给所述驱动电路模块，所述驱动电路模块控制所述无刷直流电机转动。所述驱动板还设置由一隔离运放模块，所述驱动电路模块通过与采样电阻与所述隔离运放单元连接，所述采样电阻获取所述驱动电路的采样电流并通过所述隔离运放单元处理后反馈给所述控制板。

如图5所示为本发明实施例提供的FPGA的工作流程示意图，具体步骤如下：

在上电电复位后接收上位机指令信号，然后完成对指令的解码，将指令解码后判断是否为停止指令，若为停止指令则控制电机停止转动并返回至对解码后的指令判断的步骤；若不是停止指令，则判断是否为转动启动指令，若是转动启动指令，则控制启动电机，若不是转动启动指令则返回对解码后的指令判断的步骤，则返回至，则返回到指令解码；电机启动后对电机进行调速，在没有达到指定速度时继续对电机调速，达到指定速度后电机按照指定的速度匀速转动；同时，FPGA还输出机械零位起始信号、周期数据与角度数据至上位机。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种航天机构匀速转动系统，其特征在于，包括一上位机、伺服驱动器、无刷直流电机与反馈对象旋变器；

2.如权利要求1所述的航天机构匀速转动系统，其特征在于，所述伺服驱动器包括电源板、控制板与驱动板，所述电源板为所述控制板与无刷直流电机供电，所述控制板完成指令解码后发送相应的电机驱动信号给所述驱动板，所述驱动板接受所述电机驱动信号并根据所述桥臂控制信号驱动所述无刷直流电机转动。

3.如权利要求2所述的航天机构匀速转动系统，其特征在于，所述电源板包括一滤波器以及与所述滤波器连接的第一DC-DC电流转换器、第二DC-DC电流转换器，所述第一DC-DC电流转换器为所述控制板供电，所述第二DC-DC电流转换器为所述无刷直流电机供电。

4.如权利要求2所述的航天机构匀速转动系统，其特征在于，所述控制板包括一FPGA，所述FPGA的功能包括指令解码、PI控制算法、前馈控制算法、PWM控制、遥测、遥测编码及对外通讯。

5.如权利要求4所述的航天机构匀速转动系统，其特征在于，所述控制板还包括电平驱动模块、旋变模块与电流采样模块，所述旋变模块接受所述反馈对象旋变器获得的角度信号并发送给所述FPGA，所述电流采样模块对所述驱动板的电流进行采样并将采样电流反馈给所述FPGA。

6.如权利要求2所述的航天机构匀速转动系统，其特征在于，所述驱动板包括光耦隔离模块、驱动电路模块，所述控制板、光耦隔离模块以及驱动电路模块依次连接，所述控制板将电机驱动信号通过所述光耦隔离模块去干扰后发送给所述驱动电路模块，所述驱动电路模块控制所述无刷直流电机转动。

7.如权利要求6所述的航天机构匀速转动控制系统，其特征在于，所述驱动板还包括隔离运放模块，所述驱动电路模块通过采样电阻与所述隔离运放单元连接，所述采样电阻获取所述驱动电路的采样电流并通过所述隔离运放单元处理后反馈给所述控制板。

8.如权利要求1所述的航天机构匀速转动控制系统，其特征在于，所述上位机通过RS-422串口与所述伺服驱动器传送信号。