CN104062935A - 一种双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统，其主要包括DSP及其外围模块、FPGA模块、接口电路、信号调理电路、功率放大模块、RS422通讯接口模块。该控制系统通过接口电路获取信号输出给DSP，DSP根据控制算法生成磁轴承、高速电机和框架系统控制量输出给FPGA模块，FPGA根据控制量进行PWM调制，输出PWM信号给功放电路，从而实现磁轴承、高速电机和框架系统的集成控制。此外，RS422通讯接口模块实现DSP与上位机之间的实时通信，进行控制参数的在线调整以及运行状态的在线监测。本发明实现了磁悬浮双框架控制力矩陀螺的高精度高可靠集成控制，有效地降低了控制系统的体积、质量和成本。

Description

一种双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统

技术领域

本发明涉及一种双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统，用于对双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺的磁轴承、高速电机和框架系统的集成化控制，特别适用于高集成、高可靠、高精度等应用场合。

背景技术

双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺结合了双框架控制力矩陀螺和飞轮的特点，不仅可以通过改变转子角动量方向(转动框架)输出大力矩，还可以改变转子转速输出高精度力矩，单个双框架磁悬浮变速控制控制力矩陀螺可输出三轴控制力矩，实现航天器的三轴姿态控制，可满足航天器姿态控制系统对执行机构体积小、功耗小、质量轻的要求，是我国新一代快速机动、快速稳定卫星平台的理想执行机构。

现有的磁悬浮控制力矩陀螺控制系统发挥了数字控制系统能够实现复杂控制算法，能够满足高精度控制要求、参数修改方便及适合模块化设计等优点，相对于模拟控制系统其体积大大缩小，功耗低，这对于航天应用非常具有吸引力。

目前，磁悬浮控制力矩陀螺系统大多采用三套分立的控制系统对磁轴承、高速电机和框架系统分别进行控制。分立控制的优点是控制器设计简单；缺点是系统集成度低，体积大，功耗大，独立系统相互之间、系统与上位机之间通信复杂，信息通过的中间环节太多。此外，磁轴承、高速电机和框架系统都需要高速转子的转速信号，如果采用三个分立的控制系统，转子的转速信号需要分别传输给三个分立系统，造成信号传输和硬件电路的复杂。将磁轴承、高速电机和框架系统集成控制，对减小磁悬浮控制力矩陀螺控制系统体积、降低系统功耗、提高系统可靠性、提高力矩输出精度有重要意义。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统采用分立控制系统而引起的信号传输和硬件电路复杂的缺点，将磁轴承、高速电机和框架系统集成控制，在提高控制系统集成度、可靠性的同时，降低系统体积、功耗和质量。

本发明的技术解决方案是：本发明将磁轴承系统、高速电机系统和框架系统集成控制，以数字信号处理器DSP TMS320C6701为主运算控制器，充分发挥其强大运算能力，完成复杂控制算法；以FPGA为逻辑运算核心，利用其逻辑控制强大、管脚丰富等优势，为DSP扩展可用资源，负责DSP和外部设备的数据接口以及实现对外部设备的时序控制。本发明的集成数字控制系统由DSP及其外围模块、FPGA模块、信号调理电路、接口电路、功率放大模块、RS422通讯接口模块组成，其中：

①DSP及其外围模块：和FPGA模块相连，包括DSP、晶振、看门狗电路及外部存储器ROM。DSP接收FPGA模块输出数字信号进行磁轴承、高速电机和框架系统的控制算法实现，并分别输出磁轴承、高速电机和框架系统的控制量给FPGA模块；晶振产生的时钟信号作为DSP系统的系统时钟，DSP系统并将时钟信号发送给FPGA模块作为FPGA的触发时钟；看门狗电路主要实现DSP系统非正常工作状态下的复位。

②FPGA模块(2)：和DSP及其外围模块、接口电路、功率放大模块、RS422通讯接口模块、高速电机霍尔传感器相连，主要负责DSP和外部设备的数据接口以及实现对外部设备的时序控制。DSP将时钟信号发送给FPGA模块作为FPGA的触发时钟。FPGA模块输出模拟开关控制信号、AD采样控制信号和轴角解码读控制信号给接口电路，并读取接口电路输出的AD采样数据和框架角位置信号，发送给DSP及其外围模块。DSP及其外围模块获得AD采样数据和框架角位置信号后，根据控制算法计算出磁轴承、高速电机和框架系统控制量发送给FPGA模块。FPGA模块根据获得的磁轴承、高速电机和框架控制量分别进行PWM调制，输出磁轴承、高速电机和框架系统的PWM控制信号及PWM方向信号给功率放大模块产生磁轴承、高速电机和框架系统的控制电流，实现磁轴承、高速电机和框架系统的控制。FPGA模块通过RS422通讯接口模块从上位机获取磁轴承、高速电机和框架系统的控制参数，并发送给DSP及其外围模块，实现控制参数的更新。FPGA模块从DSP及其外围模块获取整个系统工作过程中的磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角速率及框架电机绕组电流等重要参数，通过RS422通讯接口模块发送给上位机，实现系统工作过程中重要参数的监测。

③信号调理电路：和接口电路相连，主要对磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流信号、高速电机绕组电流信号和内外框架力矩电机绕组电流信号进行调理，使其输出范围在AD芯片采样范围之内；对旋转变压器检测得到的内外框架粗机、精机角位置信号进行调理，使其输出范围在轴角解码芯片AD2S82A的输入范围之内。

④接口电路：和信号调理电路、FPGA模块相连，包括模拟开关CD4067、AD采样芯片AD1672和轴角解码芯片AD2S82A，主要将传感器输出的信号进行模数转换输出给FPGA模块，以实现控制算法。模拟开关CD4067在FPGA输出的模拟开关控制信号控制下选通不同通道的模拟信号(磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流信号、高速电机绕组电流信号和内外框架力矩电机绕组电流信号)，并输出给AD采样芯片AD1672；AD1672在AD采样控制信号的控制下对模拟开关选通的模拟信号进行模数转换，并将转换完的数字信号输出给FPGA模块；轴角解码芯片AD2S82A(7)在FPGA输出的控制信号控制下将调理后的粗、精机角位置信号进行模数转换，输出给FPGA模块。

⑤功率放大模块：和FPGA模块、双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺本体相连，包括磁轴承功放电路、高速电机功放电路和框架电机功放电路，接收FPGA模块输出的PWM控制信号及PWM方向信号，分别生成磁轴承、高速电机和框架系统所需要的控制电流，将其输入到双框架磁悬浮控制力矩陀螺，以实现磁轴承、高速电机和框架系统的控制。

⑥RS422通讯接口模块：和FPGA模块相连，通过FPGA模块的数据中转实现DSP和上位机之间的通信，进行磁轴承控制参数、电机控制参数、框架控制参数、转子转速和框架转速的在线调整，以及监控整个系统工作过程中的磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角速率及框架电机绕组电流等重要参数。四路差分总线传送芯片DS26C31和四路差分总线接收芯片DS26C32分别实现RS422的差分输入和输出。

此外，双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统的软件实现包括DSP程序设计、FPGA程序设计及上位机通信程序设计三部分

本发明的原理是：双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统由DSP及其外围模块、FPGA模块、信号调理电路、接口电路、功率放大模块、RS422通讯接口模块组成。信号调理电路对磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流信号、高速电机绕组电流信号、内外框架力矩电机绕组电流信号和内外框架角位置信号进行调理；模数转换芯片AD1672和轴角解码芯片AD2S82A分别对信号调理电路输出的信号进行模数转换，并通过FPGA模块输出给DSP；FPGA模块直接采集高速电机转速信号，经过滤波处理后输出给DSP；DSP实现磁轴承、高速电机和框架系统的复杂控制算法，然后分别输出磁轴承、高速电机和框架系统的控制量给FPGA，FPGA模块进行PWM调制，输出PWM控制信号给功放电路，实现磁轴承、高速电机和内外框架系统的控制。RS422通讯接口模块实现DSP和上位机之间的通信，进行磁轴承控制参数、高速电机控制参数、框架控制参数、转子转速和框架转速的在线调整，以及监控整个系统工作过程中的磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角速率及框架电机绕组电流等重要参数。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明将磁轴承系统、高速电机系统、内外框架系统进行集成化控制，采用DSP+FPGA的控制架构，数字信号处理器DSP实现复杂控制算法，FPGA负责DSP和外部设备的数据接口以及实现对外部设备的时序控制。系统结构紧凑、电路结构简单，在软件方面节省了重复性转子转速计算程序、模拟开关控制程序、AD采样控制程序、PWM生成程序和RS422串口通信程序，在提高控制系统集成度、可靠性的同时，降低系统体积、功耗和质量。

附图说明

图1为本发明的系统硬件组成框图；

图2为本发明的系统软件实现框图；

图3为DSP程序设计流程图；

图4为FPGA程序设计框图；

具体实施方式

双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺在系统上由磁轴承、高速电机和内外框架组成，不仅可以通过改变磁悬浮转子角动量方向(转动框架)输出大力矩，还可以改变转子转速输出高精度力矩。单个双框架磁悬浮变速控制控制力矩陀螺可输出三轴控制力矩，实现航天器的三轴姿态控制。

如图1所示的集成数字控制系统由DSP及其外围模块、FPGA模块、信号调理电路、接口电路、功率放大模块、RS422通讯接口模块组成，其中：

①DSP及其外围模块1：和FPGA模块2相连，包括数字信号处理器DSP、晶振、看门狗电路及外部存储器ROM。DSP接收FPGA模块2输出数字信号进行磁轴承、高速电机和框架系统的控制算法实现，并分别输出磁轴承、高速电机和框架系统的控制量给FPGA模块2；晶振产生的时钟信号作为DSP的系统时钟，DSP并将时钟信号发送给FPGA模块2作为FPGA的触发时钟；看门狗电路主要实现DSP非正常工作状态下的复位；外部存储器ROM实现DSP程序存储。

②FPGA模块2：和DSP及其外围模块1、接口电路4、功率放大模块8、RS422通讯接口模块12、高速电机霍尔传感器相连，主要负责DSP和外部设备的数据接口以及实现对外部设备的时序控制。DSP将时钟信号发送给FPGA模块2作为FPGA的触发时钟。FPGA模块2输出模拟开关控制信号、AD采样控制信号和轴角解码读控制信号给接口电路4，并读取接口电路4输出的AD采样数据和框架角位置信号，发送给DSP及其外围模块1。DSP及其外围模块1获得AD采样数据和框架角位置信号后，根据控制算法计算出磁轴承、高速电机和框架控制量发送给FPGA模块2。FPGA模块2根据获得的磁轴承、高速电机和框架控制量分别进行PWM调制，输出磁轴承、高速电机和框架系统的PWM控制信号及PWM方向信号给功率放大模块8产生磁轴承、高速电机和框架系统的控制电流，实现磁轴承、高速电机和框架系统的控制。FPGA模块2通过RS422通讯接口模块12从上位机获取磁轴承、高速电机和框架系统的控制参数，并发送给DSP及其外围模块1，实现控制参数的更新。FPGA模块从DSP及其外围模块1获取整个系统工作过程中的磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角速率及框架电机绕组电流等重要参数，通过RS422通讯接口模块12发送给上位机，实现系统工作过程中重要参数的监测。

③信号调理电路3：和接口电路4相连，主要对磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流信号、高速电机绕组电流信号和内外框架力矩电机绕组电流信号进行调理，使其输出范围在AD芯片采样范围之内；对旋转变压器检测得到的内外框架粗机、精机角位置信号进行调理，使其输出范围在轴角解码芯片AD2S82A的输入范围之内。磁轴承转子位移调理电路对位移传感器检测出的磁轴承转子位移信号进行电平偏移、比例放大和二阶抗混叠滤波处理，并输出到模拟开关模块；磁轴承线圈电流信号调理电路对磁轴承电流传感器检测的磁轴承驱动电流信号进行放大、二阶抗混叠滤波处理，并输出到模拟开关CD4067-5；高速电机电流信号调理电路实现对电机电流信号的放大和二阶抗混叠滤波处理，并输出到模拟开关CD4067-5；内外框架力矩电机电流调理电路对霍尔电流传感器检测的电机绕组电流信号进行电平偏移、比例放大和一阶低通滤波处理，并输出到模拟开关CD4067-5；角位置信号调理电路对旋转变压器检测的内外框架粗机、精机角位置信号进行二阶低通滤波，并输出到轴角解码芯片AD2S82A-7。

④接口电路4：和信号调理电路3、FPGA模块2相连，包括模拟开关CD4067(5)、AD采样芯片AD1672(6)和轴角解码芯片AD2S82A-7，主要将磁轴承电涡流位移传感器、磁轴承线圈电流传感器、高速电机绕组电流传感器、内外框架电机霍尔电流传感器、内外框架旋转变压器输出的信号进行模数转换并输出给FPGA模块2，以实现控制算法。模拟开关CD4067在FPGA输出的模拟开关控制信号控制下选通不同通道的模拟信号(磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流信号、高速电机绕组电流信号和内外框架力矩电机绕组电流信号)，并输出给AD采样芯片AD1672-6；AD采样芯片AD1672-6在AD采样控制信号的控制下对模拟开关选通的模拟信号进行模数转换，并将转换完的数字信号输出给FPGA模块2；轴角解码芯片AD2S82A-7在FPGA输出的控制信号控制下将调理后的内外框架粗、精机角位置信号进行模数转换，输出给FPGA模块2。

⑤功率放大模块8：和FPGA模块2、双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺本体13相连，包括磁轴承功放电路10、高速电机功放电路9和框架电机功放电路11，接收FPGA模块2输出的PWM控制信号及PWM方向信号，分别生成磁轴承、高速电机和框架系统所需要的控制电流输入到双框架磁悬浮控制力矩陀螺13以实现磁轴承、高速电机和内外框架的控制。磁轴承功放电路接收FPGA输出的磁轴承PWM控制信号，通过集成功放芯片LMD18200在其输出端连接的磁轴承线圈上产生相应的控制电流，产生电磁力对磁轴承转子位移进行控制。此外，电流互感器串联在磁轴承线圈回路中，产生磁轴承线圈电流传感器的输出信号，经过信号调理电路，得到电流闭环的反馈信号，以实现磁轴承电流的闭环控制。高速电机功放电路由Buck降压斩波电路和三相全桥电路组成，其根据控制电路输出的PWM调制信号生成控制电压和驱动电机绕组所需的控制电流，驱动高速电机的三相绕组，实现高速电机的驱动控制。内外框架功放电路由IR2110驱动电路和三相全桥电路组成，其根据控制电路输出的PWM调制信号生成控制电压和驱动电机绕组所需的控制电流，驱动内外框架力矩电机的三相绕组，实现框架控制。

⑥RS422通讯接口模块12：和FPGA模块2相连，通过FPGA模块2的数据中转实现DSP和上位机之间的通信，进行磁轴承控制参数、高速电机控制参数、框架控制参数、转子转速和框架转速的在线调整，以及监控整个系统工作过程中的磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角速率及框架电机绕组电流等重要参数。四路差分总线传送芯片DS26C31和四路差分总线接收芯片DS26C32分别实现RS422的差分输入和输出。

图2为集成数字控制系统的软件实现框图，系统软件实现包括DSP程序设计、FPGA程序设计及上位机通信程序设计三部分：

DSP程序作为控制核心，其程序主要由控制算法子程序、AD中断子程序、串口通信中断子程序组成，负责磁轴承系统、高速电机系统和内外框架系统控制算法的实现。FPGA程序主要包括：Interface模块、AD采样控制模块、DSP芯片复位模块、PWM调制模块、RS422通信控制模块、电机霍尔滤波计数模块、框架轴角解码模块。其中，Interface模块实现FPGA与DSP之间的数据交换，接收AD采样控制模块、DSP芯片复位模块、RS422通信控制模块、电机霍尔滤波计数模块、框架轴角解码模块的数据发送给DSP；接收DSP输出的磁轴承、高速电机和框架系统的控制量并输入给PWM调制模块；接收DSP发送的磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角位置、内外框架力矩电机绕组电流等监测信号，并输入给RS422通信控制模块。AD采样控制模块、DSP芯片复位模块、RS422通信控制模块、电机霍尔滤波计数模块和框架轴角解码模块之间相互独立，并行运行。FPGA的主要功能是实现DSP逻辑功能的扩展，为DSP控制程序服务，与控制程序中各模块紧密相连。FPGA和DSP交互主要体现在AD和RS422通信上。

FPGA程序中AD采样控制模块控制模拟开关CD4067的通道选择和AD1672的采样，并产生采样中断；DSP响应此中断进入AD中断子程序，在中断子程序中调用磁轴承、高速电机和框架系统控制算法，分别得到磁轴承、高速电机和框架系统的PWM数字控制量，FPGA接收此数字量，将其与FPGA内部产生的三角波比较，生成PWM波，分别输出给磁轴承功放部分、高速电机功放部分和内外框架功放部分。

上位机通过RS422发送数据至FPGA，FPGA内部通信模块负责接收并将其转化为并行数据，产生中断；DSP响应此中断进入通信中断子程序，接收来自FPGA的通信数据并解码。当上位机指令是更新控制参数，则通信中断子程序接收上位机发送的控制参数值，并更新当前控制算法中参数；当上位机指令要求DSP反馈相应的监测量(磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角速率及框架电机绕组电流)，则DSP将所要求的监测量输出给FPGA，再通过FPGA内的通信模块转化为串行数据发送给上位机。

图3为DSP程序设计流程图，DSP程序部分采用C语言编程，以中断作为程序触发，在无中断请求时，主程序while循环，并定时发送喂狗信号给FPGA，FPGA给监控芯片MAX706喂狗。若在1.6s内未出现喂狗信号，则视为程序跑飞，则MAX706产生复位信号，同时使DSP和FPGA复位。

如果有中断触发，则DSP根据中断向量表进入相应的中断子程序以响应该中断。本系统的中断主要有AD中断和通信中断，这两个中断都是由FPGA中的AD采样控制模块和RS422通信控制模块产生。

AD中断子程序主要由数据采样、算法调用、控制量输出组成。DSP先读取磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角位置、内外框架力矩电机绕组电流信号，将这些量作为磁轴承控制算法、高速电机控制算法、内外框架控制算法子程序的实参，调用控制算法子程序，计算出磁轴承、高速电机和框架系统的PWM占空比控制量，最后输出给FPGA。其中磁轴承系统采用PID+交叉反馈算法实现磁悬浮转子高速下的稳定控制；高速电机系统采用速率环PID+电流环PI控制算法实现高速电机的稳速控制，采用自适应PID控制算法实现高速转子的变速控制；框架系统采用速率环PID+电流环PI控制算法实现内外框架的速率伺服控制。

通信中断子程序主要由接收数据、指令判断、收/发数据组成，DSP先接收RS422通信发送的数据，判断上位机指令。当上位机指令为更新控制算法参数时，中断子程序对上位机发送过来的数据进行解码，并据此更新各控制参数值。此时，DSP接收的数据位四个字节数据，高位两个字节为标志，表示需要更新的参数，低位两字节为数据，表示控制参数相应的新值。在程序中，控制参数定义为全局变量，因此将所得数据直接赋值给相应的控制参数即可实现控制参数的更新。第二种指令下，即当上位机要求反馈相关监测量时，中断子程序需要向上位机发送相关的监测值。子程序先给FPGA发送准备指令，FPGA接收到发送准备指令后表示DSP将要向上位机发送数据，FPGA进入发送状态；然后DSP将需要发送的数据赋给相应的地址后，FPGA中发送模块将此数据发送给上位机。

由于DSP芯片上外设较少，需要FPGA来扩展DSP的逻辑功能，以实现DSP和AD采样芯片AD1672、轴角解码芯片AD2S82A、集成功率放大芯片LMD18200、四路差分总线传送芯片DS26C31、四路差分总线接收芯片DS26C32等外部设备间的协同合作。图4为FPGA程序设计框图，FPGA软件采用VHDL语言编程实现，主要包括：Interface模块、AD采样控制模块、DSP芯片复位模块、PWM调制模块、RS422通信控制模块、电机霍尔滤波计数模块、框架轴角解码模块。

Interface模块主要实现DSP和FPGA之间的数据交换，通过地址映射关系来实现数据的交换和分配。FPGA通过数据总线输出DSP的信号包括磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角位置、内外框架力矩电机绕组电流和上位机输出的通信信号；DSP通过数据总线输出给FPGA的信号包括高速电机全桥PWM控制信号、磁轴承PWM控制信号、框架力矩电机全桥PWM控制信号、PWM使能控制字、DSP复位控制字、高速电机工作模式以及与上位机通信数据等。

DSP芯片复位模块实现FPGA定时给监控芯片MAX706发送时钟信号，即产生喂狗信号。实际系统实现中FPGA为每1.6s发送一个上升沿信号给MAX706，若在1.6s内未出现喂狗信号，则视为程序跑飞，则MAX706产生复位信号，同时使DSP和FPGA复位。

AD采样控制模块采用16位模拟开关CD4067和AD采样芯片AD1672来实现对磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速电机绕组电流、内外框架力矩电机绕组电流通道模拟量的采样，需要FPGA对这些外设的工作状态及工作周期进行控制。AD1672的转换时序由外部输入时钟控制，AD采样的周期需要内部控制，模拟开关CD4067需要FPGA提供通道选择信号。AD采样控制模块主要包括计时模块和状态机模块。计时模块分为时钟分频子模块和控制周期计时。时钟分频子模块对基准时钟40MHz采用20分频得到2MHz时钟信号并输出。控制周期计时模块对基准时钟40MHz计数，使得采样周期为6.67KHz。状态机模块实现AD1672采样控制及数据存储、CD4067通道选择、发送中断请求等。

PWM生成模块：DSP调用磁轴承、高速电机和框架系统控制算法，并分别输出磁轴承、高速电机和框架系统的数字控制量给FPGA，PWM生成模块增减计数生成三角波，将输出数字量与三角波比较，三角计数器数值低于输出数字量时输出高电平，三角计数器数值高于输出数字量时输出为低。这样可以得到占空比由输出数字量决定的PWM波。将PWM波输出给磁轴承功放电路、高速电机功放电路和内外框架力矩电机功放电路，可实现对磁轴承转子位移、高速电机转速和内外框架角速率的控制。

RS422通信模块用于实现DSP和上位机之间的串行通信，主要功能是实现数据的串并转换和通信的收发时序控制，其内部可分为三个子模块：波特率产生模块、接收器模块和发送器模块。波特率产生模块也是一个计数器，和AD采样部分的计数器相同。接收器模块的状态机分为两个字状态机，单字节接收状态机和多字节接收状态机。由于接收上位机数据为多字节，多字节接收状态机用于数据字节间的接收控制，单字节接收状态机用于每一个字节的接收控制，相当于多字节接收状态机运行一个循环周期，单字节接收状态机运行字节数个循环周期。发送器模块和接收器模块一样，也分为单字节发送状态机和多字节发送状态机。DSP向FPGA发出发送指令，FPGA收到指令后表示DSP将要向上位机发送数据，FPGA进入发送状态。

电机霍尔滤波计数模块用于实现霍尔信号滤波及电机转速计算功能。可以分为三个模块：滑动窗口数字滤波模块、计数模块和转速计算模块。滑动窗口数字滤波模块通过FPGA实现霍尔信号的数字滤波，从而用于电机准确换相。计数模块通过FPGA对电机霍尔信号周期进行计数，DSP读取计数值，进一步通过转速计算模块实时计算电机转速。

框架轴角解码模块的主要功能是将轴角解码芯片AD2S82A输出的内、外框架旋转变压器测得的四路角位置值的数字量读入DSP中，进而可以由角位置值计算得到内、外框架的速度反馈值。

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 (3)

1.一种双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统，其特征在于：由DSP及其外围模块(1)、FPGA模块(2)、信号调理电路(3)、接口电路(4)、功率放大模块(8)、RS422通讯接口模块(12)组成，其中：

①DSP及其外围模块(1)：和FPGA模块(2)相连，包括DSP、晶振、看门狗电路及外部存储器ROM，DSP接收FPGA模块(2)输出数字信号进行磁轴承、高速电机和框架系统的控制算法实现，并分别输出磁轴承、高速电机和框架系统的控制量给FPGA模块(2)；晶振产生的时钟信号作为DSP的系统时钟，DSP同时将该时钟信号发送给FPGA模块(2)作为FPGA的触发时钟；看门狗电路用以实现DSP非正常工作状态下的复位；外部存储器ROM实现DSP程序的存储；

②FPGA模块(2)：和DSP及其外围模块(1)、接口电路(4)、功率放大模块(8)、RS422通讯接口模块(12)相连，同时还接收高速电机霍尔传感器输出的转速信号，负责DSP和外部设备的数据接口以及实现对外部设备的时序控制；DSP将时钟信号发送给FPGA模块(2)作为FPGA的触发时钟；FPGA模块(2)输出模拟开关控制信号、AD采样控制信号和轴角解码读控制信号给接口电路(4)，并读取接口电路(4)输出的AD采样数据和框架角位置信号，发送给DSP及其外围模块(1)；DSP及其外围模块(1)获得AD采样数据和框架角位置信号后，根据控制算法计算出磁轴承、高速电机和框架系统控制量发送给FPGA模块(2)；FPGA模块(2)根据获得的磁轴承、高速电机和框架系统控制量分别进行PWM调制，输出磁轴承、高速电机和框架系统的PWM控制信号及PWM方向信号给功率放大模块(8)产生磁轴承、高速电机和框架系统的控制电流，实现磁轴承、高速电机和框架系统的控制；FPGA模块(2)通过RS422通讯接口模块(12)从上位机获取磁轴承、高速电机和框架系统的控制参数，并发送给DSP及其外围模块(1)，实现控制参数的更新；FPGA模块从DSP及其外围模块(1)获取整个系统工作过程中的磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角速率及框架电机绕组电流等重要参数，通过RS422通讯接口模块(12)发送给上位机，实现系统工作过程中重要参数的监测；

③信号调理电路(3)：和接口电路(4)相连，主要对磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流信号、高速电机电流信号和内外框架力矩电机绕组电流信号进行调理，使其输出范围在AD芯片采样范围之内；对旋转变压器检测得到的内外框架粗机、精机角位置信号进行调理，使其输出范围在轴角解码芯片的输入范围之内；

④接口电路(4)：和信号调理电路(3)、FPGA模块(2)相连，包括模拟开关CD4067(5)、AD采样芯片AD1672(6)和轴角解码芯片AD2S82A(7)，主要将磁轴承位移传感器、磁轴承线圈电流传感器、高速电机霍尔传感器、高速电机绕组电流传感器、内外框架霍尔电流传感器、旋转变压器输出的模拟信号进行模数转换输出数字信号给FPGA模块(2)，以实现控制算法，其中模拟开关CD4067(5)和AD采样芯片AD1672(6)将信号调理电路(3)输出的磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流信号、高速电机绕组电流信号和内外框架力矩电机绕组电流信号进行模数转换，输出给FPGA模块(2)；轴角解码芯片AD2S82A(7)将信号调理电路(3)调理后的粗、精机角位置信号进行模数转换，输出给FPGA模块(2)；

⑤功率放大模块(8)：和FPGA模块(2)、双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺本体(13)相连，包括磁轴承功放电路(10)、高速电机功放电路(9)和框架电机功放电路(11)，接收FPGA模块(2)输出的PWM控制信号及PWM方向信号，分别生成磁轴承、高速电机和框架系统所需要的控制电流，输入到双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺(13)，以实现磁轴承、高速电机和框架系统的控制；

⑥RS422通讯接口模块(12)：和FPGA模块(2)相连，通过FPGA模块(2)的数据中转实现DSP和上位机之间的通信，进行磁轴承控制参数、高速电机控制参数、框架控制参数、转子转速和框架转速的在线调整，以及监测整个系统工作过程中磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角速率及框架电机绕组电流等重要参数。

2.根据权利要求1所述的双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统，其特征在于：所述的DSP及其外围模块(1)采用数字信号处理器DSP芯片作为处理器，以FPGA为逻辑运算核心，进行磁轴承、高速电机和框架系统的高精度控制，实现双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺控制系统的高度集成化。

3.根据权利要求1所述的双框架磁悬浮变速控制力矩陀螺集成数字控制系统，其特征在于：所述集成数字控制系统的软件实现包括DSP程序设计、FPGA程序设计及上位机通信程序设计三部分：

DSP程序主要由控制算法子程序、AD中断子程序、串口通信中断子程序组成，实现磁轴承系统、高速电机系统和内外框架系统控制算法；DSP程序以中断作为程序触发，在无中断请求时，主程序while循环，并定时发送喂狗信号给FPGA，FPGA给看门狗电路喂狗；若在1.6s内未出现喂狗信号，则视为程序跑飞，则监控芯片MAX706产生复位信号，同时使DSP和FPGA复位；如果有中断触发，则DSP根据中断向量表进入AD中断或串口通信中断子程序以响应该中断；DSP在AD中断子程序中调用控制算法子程序；

FPGA程序主要包括Interface模块、AD采样控制模块、DSP芯片复位模块、PWM调制模块、RS422通信控制模块、高速电机霍尔滤波计数模块、框架轴角解码模块；FPGA程序主要实现DSP逻辑功能的扩展，为DSP控制程序服务，与DSP控制程序中各模块紧密相连；其中，Interface模块实现FPGA与DSP之间的数据交换，接收AD采样控制模块、DSP芯片复位模块、RS422通信控制模块、高速电机霍尔滤波计数模块、框架轴角解码模块的数据发送给DSP；接收DSP输出的磁轴承、高速电机和框架系统的控制量并输入给PWM调制模块；接收DSP发送的磁轴承转子位移、磁轴承线圈电流、高速转子转速、高速电机绕组电流、内外框架角位置、内外框架力矩电机绕组电流等监测信号，并输入给RS422通信控制模块；AD采样控制模块、DSP芯片复位模块、RS422通信控制模块、高速电机霍尔滤波计数模块和框架轴角解码模块之间相互独立，并行运行；

上位机通信程序实现步骤为：通过RS422发送数据至FPGA，FPGA内部通信模块负责接收并将其转化为并行数据，产生中断；DSP响应此中断进入通信中断子程序，接收来自FPGA的通信数据并解码。当上位机指令是更新控制参数，则通信中断子程序接收上位机发送的控制参数值，并更新当前控制算法中参数；当上位机指令要求DSP反馈监测量，则DSP将所要求的监测量输出给FPGA，再通过FPGA内的通信模块转化为串行数据发送给上位机。