CN106997183B - 模拟火箭发射和在轨运行的磁悬浮控制力矩陀螺监控系统 - Google Patents

模拟火箭发射和在轨运行的磁悬浮控制力矩陀螺监控系统 Download PDF

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CN106997183B CN201610051041.2A CN201610051041A CN106997183B CN 106997183 B CN106997183 B CN 106997183B CN 201610051041 A CN201610051041 A CN 201610051041A CN 106997183 B CN106997183 B CN 106997183B
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Abstract

本发明公开了一种模拟火箭发射和在轨运行的磁悬浮控制力矩陀螺监控系统，该监控系统包括计算机模拟设置与监控界面1、CAN‑USB转接卡2、监控与通讯电路3和磁悬浮控制力矩陀螺装置4，其中，所述监控与通讯电路3包括通讯电路301、DSP+FPGA数控单元302、驱动电路和检测电路；DSP+FPGA数控单元302与驱动电路和监测电路组成闭环控制系统实现对磁悬浮控制力矩陀螺装置4的控制与检测。该监控系统可以模拟磁悬浮控制力矩陀螺装置4在火箭发射和在轨运行两个阶段的工作情况，同时可以通过CAN‑USB转接卡，使计算机模拟设置与监控界面1同监控与通讯电路3通讯，对磁悬浮控制力矩陀螺装置4进行集成化监测、分析和控制。

Description

模拟火箭发射和在轨运行的磁悬浮控制力矩陀螺监控系统
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮控制力矩陀螺监控系统，尤其涉及一种模拟火箭发射和在轨运行的磁悬浮控制力矩陀螺监控系统。
背景技术
磁悬浮控制力矩陀螺采用磁悬浮的轴承支承方式，相对于机械滚珠轴承支承的机械控制力矩陀螺避免了机械轴承本身由于摩擦带来的磨损，因此具有长寿命、低振动、高转速等优点，是大型航天器和空间站上重要的姿态控制执行机构，具有广阔的应用前景。
磁悬浮控制力矩陀螺在地面的研发测试阶段，需要对其在火箭发射和在轨运行两种状态下各种指标进行测试，以评估磁悬浮控制力矩陀螺的性能，现有的磁悬浮控制力矩陀螺采用分散控制，磁轴承装置、高速电机装置、框架伺服装置和锁紧解锁装置各有独立的控制与通讯系统，通过电脑来单独控制和检测各个系统的工作状态，无法对磁悬浮控制力矩陀螺整体性能进行检测、控制和评估，磁悬浮控制力矩陀螺在真实使用时也是作为一个整体与星载计算机进行通讯，因此现有的这种分散通讯和控制的方式无法模拟磁悬浮控制力矩陀螺的真实工况。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种模拟火箭发射和在轨运行的磁悬浮控制力矩陀螺监控系统，该监控系统可以模拟磁悬浮控制力矩陀螺在火箭发射阶段和在轨运行阶段的工作状态，并对磁悬浮控制力矩陀螺装置进行集成化监测、分析和控制。
具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：
(1)一种模拟火箭发射和在轨运行的磁悬浮控制力矩陀螺监控系统，其特征在于，该监控系统包括计算机模拟设置与监控界面1、CAN-USB转接卡2、监控与通讯电路3和磁悬浮控制力矩陀螺装置4，其中，
计算机模拟设置与监控界面1具有显示和信息交换作用，通过CAN-USB转接卡2同监控与通讯电路3进行通讯，CAN-USB转接卡2通过CAN总线与监控与通讯电路3连接，
计算机模拟设置与监控界面1还用于发出指令，从而设置磁悬浮控制力矩陀螺装置4处于火箭发射状态或在轨运行状态；
(2)根据上述(1)所述的监控系统，其特征在于，
所述计算机模拟设置与监控界面1包括磁轴承设置与监控界面11、高速电机设置与监控界面12、框架伺服设置与监控界面13、锁紧解锁设置与监控界面14、工作环境监测界面15和主界面16，
所述监控与通讯电路3包括通讯电路301、DSP+FPGA数控单元302、磁 轴承驱动电路303、磁轴承监测电路304、高速电机驱动电路305、高速电机监测电路306、框架伺服驱动电路307、框架伺服监测电路308、锁紧解锁驱动电路309、锁紧解锁监测电路310、工作环境监测电路311，
所述磁悬浮控制力矩陀螺装置4包括磁轴承装置41、高速电机装置42、框架伺服装置43和锁紧解锁装置44；
(3)根据上述(2)所述的监控系统，其特征在于，所述DSP+FPGA数控单元302主要由磁轴承位置环控制器、磁轴承电流环控制器、高速电机速率环控制器、高速电机电流环控制器、框架角位置环控制器、框架角速度环控制器、框架电流环控制器、锁紧解锁控制器组成；
(4)根据上述(2)所述的监控系统，其特征在于，
所述DSP+FPGA数控单元302与磁轴承驱动电路303和磁轴承监测电路304组成闭环控制系统实现对磁轴承装置41的控制与检测，
所述DSP+FPGA数控单元302与高速电机驱动电路305和高速电机监测电路306组成闭环控制系统实现对高速电机装置42的控制与检测，
所述DSP+FPGA数控单元302与框架伺服驱动电路307和框架伺服监测电路308组成闭环控制系统实现对框架伺服装置43的控制与检测，
所述DSP+FPGA数控单元302与锁紧解锁驱动电路309和锁紧解锁监测电路310组成闭环控制系统实现对锁紧解锁装置44的控制与检测；
(5)根据上述(4)所述的监控系统，其特征在于，
所述计算机模拟设置与监控界面1对磁悬浮控制力矩陀螺装置4发出指令，CAN-USB转接卡2接收到所述指令并将指令传送给监控和通讯电路3，
所述监控和通讯电路3的DSP+FPGA数控单元302接收到所述指令后对磁轴承驱动电路303、高速电机驱动电路305、框架伺服驱动电路307、锁紧解锁驱动电路309进行控制，从而使磁轴承装置41、高速电机装置42、框架伺服装置43和锁紧解锁装置44完成相应的功能；
(6)根据上述(4)所述的监控系统，其特征在于，
所述监控和通讯电路3的DSP+FPGA数控单元302接收磁轴承监测电路304、高速电机监测电路306、框架伺服监测电路308、锁紧解锁监测电路310和工作环境监测电路311传送的数据实现对磁轴承装置41、高速电机装置42、框架伺服装置43和锁紧解锁装置44的工况以及工作环境的检测，
并通过CAN-USB转接卡2将数据传送给计算机模拟设置与监控界面1，再分别通过磁轴承设置与监控界面11、高速电机设置与监控界面12、框架伺服设置与监控界面13、锁紧解锁设置与监控界面14、工作环境监测界面15进行显示；
(8)根据上述(1)～(7)任一项所述的监控系统，其特征在于，
所述计算机模拟设置与监控界面1可以通过CAN-USB转接卡2和监控与通讯电路3进行通讯，设置磁悬浮控制力矩陀螺装置4处于火箭发射状态，即向监控与通讯电路3发送火箭发射状态指令，
监控与通讯电路3中的DSP+FPGA数控单元302接到指令后控制锁紧解 锁驱动电路309驱动超声波电机转动，直到锁紧解锁监测电路310检测到内部锁紧微动开关处于关闭状态，完成锁紧解锁机构44对磁悬浮转子的锁紧，
磁轴承驱动电路303输出正弦形式和阶跃形式的电压使磁轴承装置41产生驱动力和力矩模拟火箭发射状态磁悬浮转子所受到的振动和冲击，磁轴承监测电路304检测磁悬浮转子的振动位移量是否超过安全阈值，
振动位移量和锁紧解锁装置44的状态通过监控与通讯电路3和CAN-USB转接卡2传送至计算机模拟监控界面1进行显示，以监测磁悬浮控制力矩陀螺装置4在火箭发射阶段承受振动和冲击的工况；
(9)根据上述(1)～(7)任一项所述的监控系统，其特征在于，所述计算机模拟设置与监控界面1可以通过CAN-USB转接卡2和监控与通讯电路3进行通讯，设置磁悬浮控制力矩陀螺装置4处于在轨运行状态，监控与通讯电路3通过DSP+FPGA数控单元302向锁紧解锁驱动电路309、磁轴承驱动电路303、高速电机驱动电路305和框架伺服驱动电路307分别发出解锁磁悬浮转子指令、悬浮指令、升速指令、角位置和角速度指令；
(10)根据上述(9)所述的监控系统，其特征在于，
锁紧解锁驱动电路309执行监控与通讯电路3的解锁磁悬浮转子指令，锁紧解锁监测电路310实时检测锁紧解锁装置44的状态，直至锁紧解锁装置44处于解锁状态完成解锁，
磁轴承驱动电路303执行监控与通讯电路3发送的悬浮指令，驱动磁轴承装置41保持磁悬浮转子处于稳定悬浮的状态，磁轴承监测电路304实时检测，驱动磁轴承装置41的状态，
高速电机驱动电路305执行监控与通讯电路3发送的升速指令，驱动高速电机装置42使磁悬浮转子转动并升速至额定值，高速电机监测电路306实时检测驱动高速电机装置42的状态，
框架伺服驱动电路307执行监控与通讯电路3发送的角位置和角速度指令，驱动框架伺服装置43转动，框架伺服监测电路308实时检测驱动框架伺服装置43的状态，
工作环境监测电路311实时对工作环境进行检测，
其中，磁轴承监测电路304、高速电机监测电路306、框架伺服监测电路308、锁紧解锁监测电路310和工作环境监测电路311的检测输出通过监控与通讯电路3和CAN-USB转接卡2传送至计算机模拟监控界面1进行显示，监控磁悬浮控制力矩陀螺装置4在轨运行状态的工况。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)该监控系统可模拟磁悬浮控制力矩陀螺装置在火箭发射和在轨运行两个阶段的工作情况，既模拟磁悬浮控制力矩陀螺装置在火箭发射阶段承受振动和冲击的工况，测试磁悬浮转子的振动位移大小和锁紧解锁装置的状态，又可模拟磁悬浮控制力矩陀螺在轨运行时输出控制力矩的工况，测试该工况下各装置及工作环境的各项参数和性能；
(2)该监控系统的计算机模拟设置与监控界面嵌入了很多数据处理、分析程序，比如带宽测试中幅值比和相位差的矩阵算法、故障检测与报警等，使磁悬浮控制力矩陀螺的检测和控制更为全面和直观；
(3)该监控系统把现有的磁轴承装置、高速电机装置、框架伺服装置和锁紧解锁装置的分散通讯方式改为作为一个整体与DSP+FPGA数控单元连接，并通过一路CAN总线与计算机模拟监控界面通讯，很好的模拟了磁悬浮控制力矩陀螺在卫星上的通讯状态；
(4)该监控系统所采用的CAN总线具有高可靠、高速、实时性好、线路简单等优点，能够很好地满足磁悬浮控制力矩陀螺复杂、多样、实时控制的需求，使该监控系统对磁悬浮控制力矩陀螺的检测和控制更为全面、直观、可靠。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的结构组成框图；
图2示出根据本发明一种优选实施方式的计算机设置与监控界面的组成框图；
图3示出根据本发明一种优选实施方式的监控与通讯电路原理框图；
图4示出根据本发明一种优选实施方式的通讯电路的电路图；
图5示出根据本发明一种优选实施方式的DSP+FPGA数控单元的电路图；
图6示出根据本发明一种优选实施方式的磁轴承驱动电路的电路图；
图7示出根据本发明一种优选实施方式的电流传感器的电路图；
图8示出根据本发明一种优选实施方式的磁轴承监测电路中的电涡流传感器电路图；
图9A示出根据本发明一种优选实施方式的高速电机驱动电路中驱动芯片的电路图；
图9B示出根据本发明一种优选实施方式的高速电机驱动电路中驱动芯片的电路图；
图9C示出根据本发明一种优选实施方式的高速电机驱动电路中BUCK电路、BRAKE电路和三相逆变桥的电路图；
图10A示出根据本发明一种优选实施方式的框架伺服驱动电路中驱动芯片的电路图；
图10B示出根据本发明一种优选实施方式的框架伺服驱动电路中驱动芯片的电路图；
图10C示出根据本发明一种优选实施方式的框架伺服驱动电路中三相逆变桥的电路图；
图11A示出根据本发明一种优选实施方式的旋转变压器激磁电路的电路图；
图11B示出根据本发明一种优选实施方式的轴角解码芯片的电路图；
图12示出根据本发明一种优选实施方式的锁紧解锁驱动电路的电路图；
图13示出根据本发明一种优选实施方式的锁紧解锁装置的示意图；
图14示出根据本发明一种优选实施方式的模拟火箭发射状态的磁轴承控制系统示意图；
图15示出根据本发明一种优选实施方式的框架伺服监控界面进行磁悬浮控制力矩陀螺装置带宽自测试的子显示界面图；
图16示出根据本发明一种优选实施方式的运行流程图。
附图标号说明：
1-计算机设置与监控界面；
11-磁轴承设置与监控界面；
12-高速电机设置与监控界面；
13-框架伺服设置与监控界面；
14-锁紧解锁设置与监控界面；
15-工作环境监控界面；
16-主界面；
2-CAN-USB转接卡；
3-监控与通讯电路；
301-通讯电路；
302-DSP+FPGA数控单元；
303-磁轴承驱动电路；
304-磁轴承检测电路；
305-高速电机驱动电路；
306-高速电机检测电路；
307-框架伺服驱动电路；
308-框架伺服检测电路；
309-锁紧解锁驱动电路；
310-锁紧解锁检测电路；
311-工作环境检测电路；
4-磁悬浮控制力矩陀螺装置；
41-磁轴承装置；
42-高速电机装置；
43-框架伺服装置；
44-锁紧解锁装置。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明提供的一种模拟火箭发射和在轨运行的磁悬浮控制力矩陀螺监控系统，如图1所示，该监控系统包括计算机模拟设置与监控界面1、CAN-USB转接卡2、监控与通讯电路3和磁悬浮控制力矩陀螺装置4，其中，计算机模拟设置与监控界面1通过CAN-USB转接卡2同监控与通讯电路3进行通讯，设置磁悬浮控制力矩陀螺装置4处于火箭发射状态或在轨运行状态。
所述计算机模拟设置与监控界面1包括磁轴承设置与监控界面11、高速电机设置与监控界面12、框架伺服设置与监控界面13、锁紧解锁设置与监控界面14、工作环境监测界面15和主界面16；所述监控与通讯电路3包括通讯电路301、DSP+FPGA数控单元302、磁轴承驱动电路303、磁轴承监测电路304、高速电机驱动电路305、高速电机监测电路306、框架伺服驱动电路307、框架伺服监测电路308、锁紧解锁驱动电路309、锁紧解锁监测电路310、工作环境监测电路311；所述磁悬浮控制力矩陀螺装置4包括磁轴承装置41、高速电机装置42、框架伺服装置43和锁紧解锁装置44；本发明将磁轴承装置41、高速电机装置42、框架伺服装置43和锁紧解锁装置44作为一个整体即磁悬浮控制力矩陀螺装置4与DSP+FPGA数控单元302连接，实现了集成化控制与检测；DSP+FPGA数控单元302通过一路CAN总线与计算机模拟设置与监控界面1进行通讯，使该监控系统对磁悬浮控制力矩陀螺装置4的控制和检测更为全面、直观、可靠；其中，
所述磁轴承设置与监控界面11用于对磁轴承装置41发出运行指令，并显示其实际工作状态；所述高速电机设置与监控界面12用于对高速电机装置42发出运行指令，并显示其实际工作状态；所述框架伺服设置与监控界面13用于对框架伺服装置43发出运行指令，并显示其实际工作状态；所述锁紧解锁设置与监控界面14用于对锁紧解锁装置44发出运行指令，并显示其实际工作状态；所述工作环境监测界面15用于显示该监控系统工作环境的各项参数，所述主界面16用于提供磁轴承设置与监控界面11、高速电机设置与监控界面12、框架伺服设置与监控界面13、锁紧解锁设置与监控界面14和工作环境监测界面15的快捷方式；
所述CAN-USB转接卡是与CAN总线相连的USB转接卡，USB是英文Universal SerialBus(通用串行总线)的缩写，而其中文简称为“通串线”，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。CAN-USB转接卡提供CAN总线通讯与USB通讯转换的功能，通过CAN-UBS转接卡连接监控与通讯电路3与计算机模拟设置与监控界面1，实现监控与通讯电路3中CAN通讯数据与计算机模拟设置与监控界面1中USB通讯数据的转换。
所述CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线，其中，CAN是Controller Area Network的缩写，即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴；CAN总线采用了多 主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。
所述通讯电路301用于通讯连接，并与计算机设置与模拟界面1进行数据交换；所述DSP+FPGA数控单元302分别与磁轴承驱动电路303、磁轴承监测电路304、高速电机驱动电路305、高速电机监测电路306、框架伺服驱动电路307、框架伺服监测电路308、锁紧解锁驱动电路309、锁紧解锁监测电路310、工作环境监测电路311相连，以实现对磁悬浮控制力矩陀螺装置4的控制与检测以及对工作环境的检测，并与通讯电路301进行平行数据传输；所述磁轴承驱动电路303，用于驱动磁轴承装置41；所述磁轴承监测电路304，用于检测磁轴承装置41的工作状态，例如：位移值、电流值、章动幅值、定子温度值和各控制参数；所述高速电机驱动电路305，用于驱动高速电机装置42；所述高速电机监测电路306，用于检测高速电机装置42的工作状态，例如：转速值、电流值、温度值和各控制参数值；所述框架伺服驱动电路307，用于驱动框架伺服装置43；所述框架伺服监测电路308，用于检测框架伺服装置43的工作状态，例如，角位置值、角速度值、电流值、控制精度、控制稳定度、带宽测试的两条角速度曲线及其幅值比和相位差、各控制参数值；所述锁紧解锁驱动电路309，用于驱动锁紧解锁装置44；所述锁紧解锁监测电路310，用于检测锁紧解锁装置44的工作状态，例如：锁紧状态、解锁状态，工作环境的温度值和真空度值，以及陀螺工作状态、陀螺输出力矩、陀螺驱动功耗；所述工作环境监测电路311，用于检测该监控系统工作环境的各项参数。
所述磁轴承装置41，用于完成浮起或落下磁悬浮转子的功能；所述高速电机装置42，用于完成升速稳速和降速的功能，所述框架伺服装置43，用于完成角速度跟随控制的功能，所述锁紧解锁装置44，用于完成锁紧和解锁磁悬浮转子的功能。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，DSP+FPGA数控单元302与磁轴承驱动电路303和磁轴承监测电路304组成闭环控制系统实现对磁轴承装置41的控制与检测；DSP+FPGA数控单元302与高速电机驱动电路305和高速电机监测电路306组成闭环控制系统实现对高速电机装置42的控制与检测；DSP+FPGA数控单元302与框架伺服驱动电路307和框架伺服监测电路308组成闭环控制系统实现对框架伺服装置43的控制与检测；DSP+FPGA数控单元302与锁紧解锁驱动电路309和锁紧解锁监测电路310组成闭环控制系统实现对锁紧解锁装置44的控制与检测；DSP+FPGA数控单元302与工作环境检测电路311连接，检测工作环境及各项参数。
在进一步优选的实施方式中，所述计算机模拟设置与监控界面1对磁悬浮控制力矩陀螺装置4发出指令，CAN-USB转接卡2接收到所述指令并将指令传送给监控和通讯电路3，监控和通讯电路3的DSP+FPGA数控单元302接收到所述指令后对磁轴承驱动电路303、高速电机驱动电路305、框架伺服驱动 电路307、锁紧解锁驱动电路309进行控制，从而使磁轴承装置41、高速电机装置42、框架伺服装置43和锁紧解锁装置44完成相应的功能。
在更进一步优选的实施方式中，所述监控和通讯电路3的DSP+FPGA数控单元302接收磁轴承监测电路304、高速电机监测电路306、框架伺服监测电路308、锁紧解锁监测电路310和工作环境监测电路311传送的数据实现对磁轴承装置41、高速电机装置42、框架伺服装置43和锁紧解锁装置44的工况以及工作环境的检测；并通过CAN-USB转接卡2将数据传送给计算机模拟设置与监控界面1，再分别通过磁轴承设置与监控界面11、高速电机设置与监控界面12、框架伺服设置与监控界面13、锁紧解锁设置与监控界面14、工作环境监测界面15进行显示。
计算机模拟设置与监控界面1，如图2所示，是利用LabWindows/CVI开发平台在计算机上设计的人机界面，可设定磁悬浮控制力矩陀螺装置4处于火箭发射或在轨运行的工作状态，可以监测磁悬浮控制力矩陀螺装置4及工作环境的各项参数，控制磁悬浮控制力矩陀螺装置4实现各项功能。计算机模拟设置与监控界面1工作时，通过CAN-USB转接卡2和监控与通讯电路3进行指令和数据的发送和接收，既可以设定磁悬浮控制力矩陀螺装置4处于火箭发射或在轨运行状态，使其完成振动冲击、输出力矩和带宽测试等试验，又可以定时查询磁轴承装置41、高速电机装置42、框架伺服装置43、锁紧解锁装置44的工况及工作环境的各项参数。例如：磁轴承装置41五个通道(径向方向的四个通道和一个轴向方向通道)的位移值、电流值、章动幅值、定子温度值和各控制参数值；高速电机装置42的转速值、电流值、温度值和各控制参数值；框架伺服装置43的角位置值、角速度值、电流值、控制精度、控制稳定度、带宽测试的两条角速度曲线及其幅值比和相位差、各控制参数值；锁紧解锁装置44的锁紧状态、解锁状态，工作环境的温度值和真空度值，以及陀螺工作状态、陀螺输出力矩、陀螺驱动功耗等。计算机模拟设置与监控界面1可以进行数据处理、分析，并将结果分别显示于磁轴承设置与监控界面11、高速电机设置与监控界面12、框架伺服设置与监控界面13、锁紧解锁设置与监控界面14、工作环境监测界面15和主界面16中，查询到故障状态时进行报警，进行整机复位，重新启动磁悬浮控制力矩陀螺装置4。该计算机模拟设置与监控界面1可以控制磁悬浮控制力矩陀螺装置4，使其完成磁轴承装置41的浮起或落下磁悬浮转子、磁轴承装置41输出电磁力模拟火箭发射的振动和冲击、高速电机装置42的升速稳速和降速、框架伺服装置43的角速度跟随控制、锁紧解锁装置44的锁紧和解锁磁悬浮转子等功能。
在一种优选的实施方式中，磁轴承设置与监控界面11、高速电机设置与监控界面12、框架伺服设置与监控界面13、锁紧解锁设置与监控界面14和工作环境监测界面15可以分别检测磁轴承装置41、高速电机装置42、框架伺服装置43、锁紧解锁装置44以及工作环境的温度、电流、控制参数、工作状态等信息。
在进一步优选的实施方式中，磁轴承设置与监控界面11、高速电机设 置与监控界面12、框架伺服设置与监控界面13、锁紧解锁设置与监控界面14和工作环境监测界面15可以对以上参数和信息进行处理、分析、显示、存储，遇到温度超限、磁轴承失稳等故障模式进行报警。
在更进一步优选的实施方式中，磁轴承设置与监控界面11、高速电机设置与监控界面12、框架伺服设置与监控界面13、锁紧解锁设置与监控界面14可以发送控制指令，通过CAN-USB转接卡2传送给监控与通讯电路3以完成对磁悬浮控制力矩陀螺4的操控，比如模拟火箭发射的振动和冲击、浮起磁轴承、升速高速电机、转动框架、锁紧磁悬浮转子等。
在一种优选的实施方式中，如图3所示，DSP-FPGA数控单元302通过通讯电路301与CAN总线相连，再通过CAN-USB转接卡2与计算机模拟设置与监控界面1进行通讯；其中，DSP+FPGA数控单元302主要由磁轴承位置环控制器、磁轴承电流环控制器、高速电机速率环控制器、高速电机电流环控制器、框架角位置环控制器、框架角速度环控制器、框架电流环控制器、锁紧解锁控制器组成，实现对磁轴承装置41、高速电机装置42、框架伺服装置43和锁紧解锁装置44的控制；其中，所述磁轴承位置环控制器和磁轴承电流环控制器分别对磁轴承检测电路304输出的线圈电路与位移值进行运算，得到PWM脉冲，通过磁轴承驱动电路303使磁轴承装置41完成浮起或落下磁悬浮转子的功能；所述高速电机速率环控制器和高速电机电流环控制器分别对高速电机装置42的速率和电流进行控制；所述框架角位置环控制器、框架角速度环控制器和框架电流环控制器分别对框架伺服装置43的角位置、角速度和电流进行控制；所述锁紧解锁控制器用于锁紧磁悬浮转子和解锁磁悬浮转子。
其中，所述PWM是指脉冲宽度调制，其利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，其控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
在一种优选的实施方式中，如图3所示，磁轴承监测电路304由电流传感器和电涡流传感器组成，电流传感器输出磁轴承装置41五个通道(径向方向的四个通道和一个轴向方向通道)的线圈电流，电涡流传感器输出五个通道的位移值，通过磁轴承位置环控制器和磁轴承电流环控制器运算得到一定占空比的PWM脉冲，通过磁轴承驱动电路303使磁轴承装置41输出电磁力，当给定指令为振动冲击时，输出正弦形式和阶跃形式混合的电磁振动和冲击力，当给定指令为悬浮指令时，输出浮起或落下的电磁控制力。
在一种优选的实施方式中，如图3所示，高速电机监测电路306由电流传感器和霍尔传感器组成，分别检测高速电机装置42的电流和速率，并采用速率环、电流环双闭环控制方式，有利于高速电机实现较高的速率稳定精度。
在一种优选的实施方式中，如图1、图3所示，框架伺服监测电路308采 用电流传感器检测电流，旋转变压器激磁及轴角解码电路为旋转变压器提供激磁电源并输出框架伺服装置43的角位置和角速度，框架伺服装置43采用框架角位置环控制器、框架角速度环控制器、框架电流环控制器三闭环控制方式，有利于框架伺服系统实现较高的随动控制精度。
在一种优选的实施方式中，如图3所示，超声波电机与磁悬浮转子锁紧解锁机构组成锁紧解锁装置44，锁紧解锁监测电路310采用锁紧微动开关和解锁微动开关输出锁紧解锁状态(共三个：锁紧状态、过渡状态、解锁状态)，其中，磁悬浮转子锁紧解锁控制器通过锁紧解锁驱动电路309转动超声波电机以完成磁悬浮转子锁紧解锁机构的锁紧和解锁。
在一种优选的实施方式中，如图1、图3所示，DSP+FPGA数控单元302通过工作环境监测电路311检测工作环境的温度、真空度，并对其进行相应的显示、分析和报警。
在一种优选的实施方式中，如图4所示，通讯电路301的电路主要由SJA1000、PCA82C250及有源晶振组成。其中SJA1000为CAN通讯管理器，负责CAN通讯中数据转换、波特率设置、工作模式设定、屏蔽与校验等功能，DSP+FPGA数控单元302与SJA1000相连，两者之间并行通讯，有源晶振为SJA1000提供工作时钟，SJA1000将并行数据转换为串行数据发送给PCA82C250，PCA82C250为CAN通讯接口器件，提供CAN总线的差动发送和接收能力，其输出即CAN总线的两根通讯线CANH和CANL。
在一种优选的实施方式中，如图5所示，DSP+FPGA数控单元302的电路通过DSP(数字信号处理器)与FPGA(现场可编程门阵列)两个芯片完成对磁轴承驱动电路303、磁轴承监测电路304、高速电机驱动电路305、高速电机监测电路306、框架伺服驱动电路307、框架伺服监测电路308、锁紧解锁驱动电路309、锁紧解锁监测电路310、工作环境监测电路311的控制和检测操作，以及与通讯电路301之间的并行数据传输，其中，DSP为主处理器，实现复杂的运算控制算法，FPGA为辅助处理器。
在进一步优选的实施方式中，DSP采用TMS320C31，主要负责数据处理工作，其中，磁轴承位置环控制器、磁轴承电流环控制器、高速电机速率环控制器、高速电机电流环控制器、框架角位置环控制器、框架角速度环控制器、框架电流环控制器、锁紧解锁控制器均在DSP中进行运算；FPGA采用EPF10K30，负责各种芯片的时序控制工作；DSP和FPGA之间通过数据线、地址线和控制线相连，可并行数据通讯。
在一种优选的实施方式中，如图6所示，磁轴承驱动电路303的电路图采用集成的H桥驱动芯片LMD18200，一个芯片可实现单个磁轴承通道的驱动，FPGA输出的PWM信号和方向信号经LMD18200放大后输出大幅值的电压脉冲至磁轴承装置41的线圈中，产生电磁力实现对磁悬浮转子的控制，当芯片温度过高时，可输出故障信号至FPGA芯片。
在一种优选的实施方式中，如图7所示，为本发明的电流传感器的电路图，可用于磁轴承监测电路304、高速电机监测电路306和框架伺服监测电路 308中，输出电流反馈信号，主要由电流传感器芯片和运算放大器调理电路组成。电流传感器芯片采用HBC001S/JN01，输出为与电流值成正比的电压信号。运算放大器调理电路由调压电路和低通滤波电路组成，调压电路将电流传感器的输出电压调节到需要的范围内，低通滤波电路采用两阶压控电压源低通滤波器，滤除各种高频噪声，以消除其对幅值较小的电流反馈信号的干扰，提高信噪比。
在一种优选的实施方式中，如图8所示，为本发明的磁轴承监测电路304中的电涡流传感器电路图，主要由振荡电路、检波电路和调理电路组成，其中振荡电路在电感探头上产生高频正弦振荡信号，振荡信号幅值的大小与电感探头和磁悬浮转子的距离呈正比的线性关系，检波电路检测出振荡信号的幅值，通过调理电路可得到与距离值呈确定数值关系的电压信号。
在一种优选的实施方式中，如图9A、图9B、图9C所示，为本发明的高速电机驱动电路305的电路图，其中，图9A、图9B所示为高速电机驱动电路305中驱动芯片的电路图，图9C所示为高速电机驱动电路305中BUCK电路、BRAKE电路和三相逆变桥的电路图，所述高速电机驱动电路305主要由驱动芯片、BUCK电路、BRAKE电路和三相逆变桥组成，驱动芯片采用IR2110，四片IR2110将FPGA输出的8路PWM脉冲转化为大幅值的电压脉冲，1路输出至BUCK电路，实现对供电电压大小的调节，1路至BRAKE电路，实现对降速电压的调节，6路至三相逆变桥驱动电机转动。三相逆变桥使用6片IRF540搭建，每个桥均有上下两片IRF540，三相逆变桥的输出至高速电机的三相电机绕组。
在一种优选的实施方式中，如图10A、图10B、图10C所示，为本发明的框架伺服驱动电路14的电路图，其中，图10A、图10B所示为框架伺服驱动电路14中的驱动芯片的电路图，图10C所示为框架伺服驱动电路14中的三相逆变桥的电路图，与高速电机驱动电路305电路图不同的是，框架伺服驱动电路14不含BUCK电路、BRAKE电路，仅由驱动芯片和三相逆变桥组成。驱动芯片也采用IR2110，三相逆变桥使用6片IRF540搭建，3片IR2110将FPGA输出的6路PWM脉冲转化为三相逆变桥的驱动信号分别输出至6片IRF540，通过调节PWM占空比的大小控制电压的大小实现电机的加减速，另外，还可以通过控制三相逆变器中6片IRF540的开关状态，使框架电机输出正向或者负向的控制电压，达到快速调节角速度的目的，可满足框架伺服装置42在角速度随动控制中对高动态性能的要求。
在一种优选的实施方式中，如图11A、图11B所示，为本发明的旋转变压器激磁及轴角解码电路的电路图，主要由旋转变压器激磁电路和轴角解码电路组成，其中，图11A所示为旋转变压器激磁电路的电路图，图11B所示为轴角解码芯片的电路图，其中旋转变压器激磁电路输出激磁电源至旋转变压器的输入绕组，旋转变压器的输出绕组与轴角解码电路相连。旋转变压器激磁电路由晶振、低通滤波器和运算放大器组成，其中晶振产生脉冲信号，经两路串联的低通滤波器滤波得到正弦信号，运算放大器调节该正弦信号的 电压幅值并输出至旋转变压器的输入绕组。轴角解码芯片采用AD2S80芯片，与旋转变压器的输出绕组相连，输出角位置和角速度的数字信号至FPGA。
在一种优选的实施方式中，如图12所示，为本发明的锁紧解锁驱动电路309的电路图，由驱动芯片IR2110、脉冲变压器、功率管IRF540组成。IR2110将FPGA输出的PWM脉冲放大以驱动IRF540，IRF540接在脉冲变压器的输入绕组，通过上下两个IRF540一定频率的交替通断，使脉冲变压器输出交流电压，两组锁紧解锁驱动电路309同时驱动超声波电机的定子绕组和转子绕组，通过更改定子绕组和转子绕组脉冲的相位差实现超声波电机的正反转控制。
在一种优选的实施方式中，如图13所示，为本发明的锁紧解锁装置44的示意图，由超声波电机、弹性压片、牵引绳组成，弹性压片通过牵引绳与超声波电机相连。锁紧时，超声波电机正向转动拉紧牵引绳，迫使弹性压片发生弹性变形压向磁悬浮转子，当完全压紧时，锁紧微动开关闭合，输出低电平至FPGA，使其停止输出PWM脉冲，超声波电机停止转动。解锁时，超声波电机反向转动松开牵引绳，弹性压片逐渐恢复原形、松开磁悬浮转子，当完全松开时，解锁微动开关闭合，输出低电平至FPGA，使其停止输出PWM脉冲，超声波电机停止转动。
在一种优选的实施方式中，如图14所示，为本发明模拟火箭发射状态的磁轴承控制系统示意图，主要由磁轴承装置41、给定电流指令(以bx通道的给定电流irbx为例)、磁轴承电流环控制器Ci(s)、磁轴承驱动电路303和电流传感器组成。其中，磁轴承装置41由四对(8个，其中4个垂直纸面，没有显示)径向磁铁(磁轴承定子)、一对环形轴向磁铁和磁悬浮转子组成。给定电流指令、磁轴承电流环控制器Ci(s)(采用比例积分控制器，可表示为其中，kP为比例系数，kI为积分系数)、磁轴承驱动电路303(其幅值增益为ku)和电流传感器(其幅值增益为kie)组成电流闭环控制系统，其传递函数可表示为可设定给定电流指令实时控制磁铁的线圈电流值。以bx通道为例，模拟火箭发射状态的振动和冲击时，振动用多个频率(可根据需求设定)的正弦信号组合表示，冲击用阶跃信号表示，则给定电流指令可表示为：其中，ra为给定的阶跃信号的幅值，ε(t)为阶跃信号，且ε(t)＝0,if t<0；ε(t)＝1,if t≥0；n为正弦函数的总个数，i为正弦函数的序号，ri和ωi分别为对应正弦函数的幅值和频率。由于磁悬浮转子和磁铁间的 距离很小，当电流很大的时候，电磁力可表示为fbx＝kiibx，其中ki为电流刚度。根据四个径向通道电磁力的作用关系，可以得到磁悬浮转子受到的合力与合力矩：fx＝fax+fbx，fy＝fay+fby，pα＝(fby-fay)lm，pβ＝(fax-fbx)lm，其中lm为径向磁铁到磁轴承装置41中心的距离。这样给定正弦形式和阶跃形式的电流指令，就可以得到4个径向通道的振动力和冲击力(包括平动的力和转动的力矩)和1个轴向通道的振动力和冲击力(仅有平动的力，因为火箭发射时在该方向的转动力矩分量可忽略不计)。
在一种优选的实施方式中，如图15所示，为框架伺服监控界面13进行磁悬浮控制力矩陀螺装置4带宽自测试的子显示界面。框架伺服监控界面13通过CAN-USB转接卡2输出一个一定频率ω的正弦角速度指令信号(设为ωgr(t)＝ωg1sin(ωt+θg1)，ωg1和θg1分别为幅值和初始相角)至监控与通讯电路3，DSP+FPGA数控单元302、框架伺服驱动电路307及框架伺服监测电路308组成角速度闭环系统，控制框架伺服装置43输出一个正弦的角速度(设为ωgf(t)＝ωg2sin(ωt+θg2)，ωg2和θg2分别为幅值和初始相角)，框架伺服监控界面13以周期Ts中断连续对ωgr和ωgf采样n个点，且即采样点的数量要足够多以保证采样的正弦波形大于等于一个周期，定义一个两行n+1列的矩阵F(其表达为：和两个两行一列的向量Cgr和Cgf，使Cgr＝(F*FT)-1F[ωgr(0*Ts)ωgr(1*Ts)Lωgr(n*Ts)]，Cgf＝(F*FT)-1F[ωgf(0*Ts)ωgf(1*Ts)Lωgf(n*Ts)]，则两条正弦曲线的幅值比可表示为：20{log[Cgf(1)2+Cgf(2)2]-log[Cgr(1)2+Cgr(2)2]}，其中，Cgf(1)和Cgf(2)分别为Cgf第一行和第二行的元素；两条正弦曲线的相位差可表示为：并将幅值比和相位差的计算数据显示在如图15所示的框架伺服监控界面13的子界面上。若幅值比大于-3dB且相位差小于30度，则带宽大于ω。框架伺服监控界面13再输出一个频率为ω+0.1的正弦角速度指令，重复以上测试过程；直到频率为ωl时，幅值比小于-3dB或相位差大于30度，不满足带宽要求，则系统带宽自测完成，系统带宽为ωl-0.1。
在进一步优选的实施方式中，所述计算机模拟监控界面1通过CAN-USB转接卡2向监控与通讯电路3发送磁悬浮控制力矩陀螺装置4的带宽自测指令；DSP+FPGA数控单元302、框架伺服驱动电路307和框架伺服监测电路308组成角速度闭环控制系统，计算机模拟监控界面1发送频率0.1Hz的正弦角速度指令，框架伺服监测电路308的旋转变压器和轴角解码器检测框架伺服装置43的角速度信号，并通过CAN-USB转接卡2传送给计算机模拟监控界面1，计算机模拟监控界面1根据所发送的正弦角速度指令和检测的角速度信号，通过矩阵运算，可得到两者的幅值比和相位差，并通过计算机模拟监控界面1显示；若幅值比不大于-3dB且相位差不大于30度，则系统带宽大于等于0.1Hz，计算机模拟监控界面1发送的正弦角速度指令的频率值增加0.1Hz，再测试幅值比相位差，直到幅值比小于-3dB或相位差大于30度，不满足带宽要求，则系统带宽自测完成，系统带宽为当前频率值-0.1Hz。
磁悬浮控制力矩陀螺监控系统运行流程，如图16所示，依次为：系统上电→运行计算机模拟设置与监控界面→设置CAN-USB转接卡参数→发送状态设置指令。其中，通过设置CAN-USB转接卡的参数可以设置CAN总线的通讯协议，包括波特率、帧格式、帧类型、ID等，以便满足不同通讯速率、数据格式和节点数量的需求。
在一种优选的实施方式中，进入火箭发射状态，流程如下：发送锁紧指令→锁紧解锁装置完成锁紧→发送振动和冲击指令→磁轴承装置输出振动力和冲击力→检测和显示转子位移值和微动开关状态。
其中，在火箭发射状态的振动冲击试验中，计算机模拟设置与监控界面1实时显示磁轴承监测电路304和锁紧解锁监测电路310检测的磁悬浮转子位移值和微动开关状态，以确定磁悬浮控制力矩陀螺装置是否在火箭发射阶段出现磁悬浮转子振动位移超过安全阈值或微动开关处于打开状态(锁紧机构未能完全锁紧)，计算机模拟设置与监控界面1进行报警。
在另一种优选的实施方式中，进入在轨运行阶段，流程如下：发送解锁指令→锁紧解锁装置完成解锁→发送启动指令→磁悬浮控制力矩陀螺装置完成启动状态→发送输出力矩指令→磁悬浮控制力矩陀螺装置输出力矩→发送带宽测试指令→磁悬浮控制力矩陀螺装置进行带宽测试。
其中，进入在轨运行状态，发送解锁指令，锁紧解锁装置完成解锁以满足磁悬浮转子处于自由状态；发送启动指令，框架伺服装置43保持静止，框架伺服设置与监控界面13显示框架伺服装置43的角位置、角速度和电流，磁轴承装置41浮起磁悬浮转子，磁轴承设置与监控界面11显示的磁轴承装置41各通道位移值、电流值和温度值；高速电机装置42升速至额定速率并稳速，高速电机设置与监控界面12显示高速电机装置42的速率值、电流值和温度值，磁悬浮控制力矩陀螺进入等待输出力矩命令的初始状态；发送输出力矩指令，将输出力矩指令转换为框架伺服装置的给定角位置和角速度值，框架伺服装置43实时跟随给定角位置和速度值，磁悬浮控制力矩陀螺装置4输出力矩，模拟航天器姿态控制的状态，此时通过框架伺服设置与监控界面13可 以测试和显示框架伺服装置43的角速度精度和稳定度，主界面15测试和显示磁悬浮控制力矩陀螺装置4的输出力矩值和驱动功耗值，工作环境监测界面15检测和显示工作环境的温度和真空度，此外若有参数超出安全阈值，计算机模拟设置与监控界面1将发出警报，主界面16可整机复位。
在一种优选的实施方式中，所述计算机模拟设置与监控界面1对磁悬浮控制力矩陀螺装置4发出指令，CAN-USB转接卡2接收到所述指令并将指令传送给监控和通讯电路3。
在进一步优选的实施方式中，计算机模拟设置与监控界面1通过CAN-USB转接卡2同监控与通讯电路3进行通讯，设置磁悬浮控制力矩陀螺装置4处于火箭发射状态，锁紧解锁驱动电路309执行监控与通讯电路3的锁紧磁悬浮转子指令，即DSP+FPGA数控单元302控制锁紧解锁驱动电路309驱动超声波电机转动，锁紧解锁监测电路310实时检测锁紧解锁装置44的状态，直至锁紧解锁装置44处于锁紧状态完成锁紧；磁轴承驱动电路303与磁轴承监测电路304的电流传感器组成电流闭环系统，根据火箭发射阶段振动和冲击与电流的函数关系，控制磁轴承驱动电路303可以产生五个通道(径向方向的四个通道和一个轴向方向通道)的各种幅值和频率的正弦电流及阶跃电流的合电流使磁轴承装置41产生驱动力和力矩模拟火箭发射状态磁悬浮转子所受到的振动和冲击，磁轴承监测电路304含10个电涡流传感器以差动的方式对磁悬浮转子在上述五个通道的振动位移进行检测，即磁轴承监测电路304检测磁悬浮转子的振动位移量是否超过安全阈值，锁紧解锁监测电路310检测锁紧解锁装置44是否保持锁紧状态，并将检测到的振动位移量和锁紧解锁装置44的状态通过监控与通讯电路3和CAN-USB转接卡2传送至计算机模拟设置与监控界面1进行显示，以监测磁悬浮控制力矩陀螺装置4在火箭发射阶段承受振动和冲击的工况，若检测的振动位移量超过安全阈值或锁紧微动开关处于打开状态，则计算机模拟监控界面1报警。
在进一步优选的实施方式中，计算机模拟设置与监控界面1通过CAN-USB转接卡2同监控与通讯电路3进行通讯，设置磁悬浮控制力矩陀螺装置4处于在轨运行状态，锁紧解锁驱动电路309执行监控与通讯电路3的解锁磁悬浮转子指令，锁紧解锁监测电路310实时检测锁紧解锁装置44的装态，直至锁紧解锁装置44处于解锁状态完成解锁，磁轴承驱动电路303与磁轴承监测电路304组成磁轴承闭环控制系统，根据监控与通讯电路3发送的悬浮指令，驱动磁轴承装置41保持磁悬浮转子处于稳定悬浮的状态，高速电机驱动电路305与高速电机监测电路306组成高速电机闭环控制系统，根据监控与通讯电路3发送的升速指令，驱动高速电机装置42使磁悬浮转子转动并升速至额定值，框架伺服驱动电路307和框架伺服监测电路308组成框架伺服闭环控制系统，根据监控与通讯电路3发送的角位置和角速度指令，驱动框架伺服装置43转动，磁轴承监测电路304、高速电机监测电路306、框架伺服监测电路308、锁紧解锁监测电路310和工作环境监测电路311的输出通过监控与通讯电路3和CAN-USB转接卡2传送至计算机模拟设置与监控界面1进行显示， 监控磁悬浮控制力矩陀螺装置4在轨运行状态的工况。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模拟火箭发射和在轨运行的磁悬浮控制力矩陀螺监控系统，其特征在于，该监控系统包括计算机模拟设置与监控界面(1)、CAN-USB转接卡(2)、监控与通讯电路(3)和磁悬浮控制力矩陀螺装置(4)，
其中，计算机模拟设置与监控界面(1)具有显示和信息交换作用，通过CAN-USB转接卡(2)同监控与通讯电路(3)进行通讯，CAN-USB转接卡(2)通过CAN总线与监控与通讯电路(3)连接，
计算机模拟设置与监控界面(1)还用于发出指令，从而设置磁悬浮控制力矩陀螺装置(4)的模拟运行状态；
所述计算机模拟设置与监控界面(1)包括磁轴承设置与监控界面(11)、高速电机设置与监控界面(12)、框架伺服设置与监控界面(13)、锁紧解锁设置与监控界面(14)、工作环境监测界面(15)和主界面(16)；所述监控与通讯电路(3)包括通讯电路(301)、DSP+FPGA数控单元(302)、磁轴承驱动电路(303)、磁轴承监测电路(304)、高速电机驱动电路(305)、高速电机监测电路(306)、框架伺服驱动电路(307)、框架伺服监测电路(308)、锁紧解锁驱动电路(309)、锁紧解锁监测电路(310)、工作环境监测电路(311)；所述磁悬浮控制力矩陀螺装置(4)包括磁轴承装置(41)、高速电机装置(42)、框架伺服装置(43)和锁紧解锁装置(44)；
所述磁轴承设置与监控界面(11)、高速电机设置与监控界面(12)、框架伺服设置与监控界面(13)、锁紧解锁设置与监控界面(14)和工作环境监测界面(15)可以分别检测磁轴承装置(41)、高速电机装置(42)、框架伺服装置(43)、锁紧解锁装置(44)以及工作环境的温度、电流、控制参数和工作状态；
所述磁轴承设置与监控界面(11)、高速电机设置与监控界面(12)、框架伺服设置与监控界面(13)、锁紧解锁设置与监控界面(14)和工作环境监测界面(15)可以对检测到的参数和信息进行处理、分析、显示、存储，遇到温度超限、磁轴承失稳的故障模式进行报警；
所述计算机模拟设置与监控界面(1)可以通过CAN-USB转接卡(2)和监控与通讯电路(3)进行通讯，设置磁悬浮控制力矩陀螺装置(4)处于火箭发射状态；
监控与通讯电路(3)中的DSP+FPGA数控单元(302)接到指令后控制锁紧解锁驱动电路(309)驱动超声波电机转动，直到锁紧解锁监测电路(310)检测到内部锁紧微动开关处于关闭状态，完成锁紧解锁装置(44)对磁悬浮转子的锁紧；
磁轴承驱动电路(303)输出正弦形式和阶跃形式的电压使磁轴承装置(41)产生驱动力和力矩模拟火箭发射状态磁悬浮转子所受到的振动和冲击，磁轴承监测电路(304)检测磁悬浮转子的振动的位移量是否超过安全阈值；
振动的位移量和锁紧解锁装置(44)的状态通过监控与通讯电路(3)和CAN-USB转接卡(2)传送至计算机模拟监控界面(1)进行显示，以监测磁悬浮控制力矩陀螺装置(4)在火箭发射阶段承受振动和冲击的工况；
所述计算机模拟设置与监控界面(1)通过CAN-USB转接卡(2)和监控与通讯电路(3)进行通讯，设置磁悬浮控制力矩陀螺装置(4)处于在轨运行状态，监控与通讯电路(3)通过DSP+FPGA数控单元(302)向锁紧解锁驱动电路(309)、磁轴承驱动电路(303)、高速电机驱动电路(305)和框架伺服驱动电路(307)分别发出解锁磁悬浮转子指令、悬浮指令、升速指令、角位置和角速度指令。
2.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于，
计算机模拟设置与监控界面(1)还用于发出指令，从而设置磁悬浮控制力矩陀螺装置(4)处于火箭发射状态或在轨运行状态；
所述计算机模拟设置与监控界面(1)可以通过CAN-USB转接卡(2)和监控与通讯电路(3)进行通讯，向监控与通讯电路(3)发送火箭发射状态指令。
3.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于，
所述磁轴承设置与监控界面(11)用于对磁轴承装置(41)发出运行指令，并显示其实际工作状态；
所述高速电机设置与监控界面(12)用于对高速电机装置(42)发出运行指令，并显示其实际工作状态；
所述框架伺服设置与监控界面(13)用于对框架伺服装置(43)发出运行指令，并显示其实际工作状态；
所述锁紧解锁设置与监控界面(14)用于对锁紧解锁装置(44)发出运行指令，并显示其实际工作状态；
所述工作环境监测界面(15)用于显示该监控系统工作环境的各项参数；
所述主界面(16)用于提供磁轴承设置与监控界面(11)、高速电机设置与监控界面(12)、框架伺服设置与监控界面(13)、锁紧解锁设置与监控界面(14)和工作环境监测界面(15)的快捷方式；
所述通讯电路(301)用于通讯连接，并与计算机设置与模拟界面(1)进行数据交换；
所述DSP+FPGA数控单元(302)分别与磁轴承驱动电路(303)、磁轴承监测电路(304)、高速电机驱动电路(305)、高速电机监测电路(306)、框架伺服驱动电路(307)、框架伺服监测电路(308)、锁紧解锁驱动电路(309)、锁紧解锁监测电路(310)、工作环境监测电路(311)相连，以实现对磁悬浮控制力矩陀螺装置(4)的控制与检测以及对工作环境的检测，并与通讯电路(301)进行平行数据传输；
所述磁轴承驱动电路(303)用于驱动磁轴承装置(41)；
所述磁轴承监测电路(304)用于检测磁轴承装置(41)的工作状态；
所述高速电机驱动电路(305)用于驱动高速电机装置(42)；
所述高速电机监测电路(306)用于检测高速电机装置(42)的工作状态；
所述框架伺服驱动电路(307)用于驱动框架伺服装置(43)；
所述框架伺服监测电路(308)用于检测框架伺服装置(43)的工作状态；
所述锁紧解锁驱动电路(309)用于驱动锁紧解锁装置(44)；
所述锁紧解锁监测电路(310)用于检测锁紧解锁装置(44)的工作状态；
所述工作环境监测电路(311)用于检测该监控系统工作环境的各项参数；
所述磁轴承装置(41)用于完成浮起或落下磁悬浮转子的功能；
所述高速电机装置(42)用于完成升速、稳速和降速的功能，
所述框架伺服装置(43)用于完成角速度跟随控制的功能，
所述锁紧解锁装置(44)用于完成锁紧和解锁磁悬浮转子的功能。
4.根据权利要求3所述的监控系统，其特征在于，
所述磁轴承监测电路(304)用于检测磁轴承装置(41)的位移值、电流值、章动幅值、定子温度值和各控制参数；
所述高速电机监测电路(306)用于检测高速电机装置(42)的转速值、电流值、温度值和各控制参数值；
所述框架伺服监测电路(308)用于检测框架伺服装置(43)的角位置值、角速度值、电流值、控制精度、控制稳定度、带宽测试的两条角速度曲线及其幅值比和相位差、各控制参数值；
所述锁紧解锁监测电路(310)用于检测锁紧解锁装置(44)的锁紧状态、解锁状态，工作环境的温度值和真空度值，以及陀螺工作状态、陀螺输出力矩、陀螺驱动功耗。
5.根据权利要求3所述的监控系统，其特征在于，所述DSP+FPGA数控单元(302)包括磁轴承位置环控制器、磁轴承电流环控制器、高速电机速率环控制器、高速电机电流环控制器、框架角位置环控制器、框架角速度环控制器、框架电流环控制器、锁紧解锁控制器。
6.根据权利要求5所述的监控系统，其特征在于，
所述磁轴承位置环控制器和磁轴承电流环控制器分别对磁轴承检测电路(304)输出的线圈电流与位移值进行运算，得到PWM脉冲，通过磁轴承驱动电路(303)使磁轴承装置(41)完成浮起或落下磁悬浮转子的功能；
所述高速电机速率环控制器和高速电机电流环控制器分别对高速电机装置(42)的速率和电流进行控制；
所述框架角位置环控制器、框架角速度环控制器和框架电流环控制器分别对框架伺服装置(43)的角位置、角速度和电流进行控制；
所述锁紧解锁控制器用于锁紧磁悬浮转子和解锁磁悬浮转子。
7.根据权利要求3所述的监控系统，其特征在于，
所述DSP+FPGA数控单元(302)与磁轴承驱动电路(303)和磁轴承监测电路(304)组成闭环控制系统实现对磁轴承装置(41)的控制与检测；
所述DSP+FPGA数控单元(302)与高速电机驱动电路(305)和高速电机监测电路(306)组成闭环控制系统实现对高速电机装置(42)的控制与检测；
所述DSP+FPGA数控单元(302)与框架伺服驱动电路(307)和框架伺服监测电路(308)组成闭环控制系统实现对框架伺服装置(43)的控制与检测；
所述DSP+FPGA数控单元(302)与锁紧解锁驱动电路(309)和锁紧解锁监测电路(310)组成闭环控制系统实现对锁紧解锁装置(44)的控制与检测；
所述DSP+FPGA数控单元(302)与工作环境监测电路(311)连接实现对工作环境中各项参数的检测。
8.根据权利要求7所述的监控系统，其特征在于，
所述计算机模拟设置与监控界面(1)对磁悬浮控制力矩陀螺装置(4)发出指令，CAN-USB转接卡(2)接收到所述指令并将指令传送给监控和通讯电路(3)；
所述监控和通讯电路(3)的DSP+FPGA数控单元(302)接收到所述指令后对磁轴承驱动电路(303)、高速电机驱动电路(305)、框架伺服驱动电路(307)、锁紧解锁驱动电路(309)进行控制，从而使磁轴承装置(41)、高速电机装置(42)、框架伺服装置(43)和锁紧解锁装置(44)完成相应的功能。
9.根据权利要求7所述的监控系统，其特征在于，
所述监控和通讯电路(3)的DSP+FPGA数控单元(302)接收磁轴承监测电路(304)、高速电机监测电路(306)、框架伺服监测电路(308)、锁紧解锁监测电路(310)和工作环境监测电路(311)传送的数据实现对磁轴承装置(41)、高速电机装置(42)、框架伺服装置(43)和锁紧解锁装置(44)的工况以及工作环境的检测；
并通过CAN-USB转接卡(2)将数据传送给计算机模拟设置与监控界面(1)，再分别通过磁轴承设置与监控界面(11)、高速电机设置与监控界面(12)、框架伺服设置与监控界面(13)、锁紧解锁设置与监控界面(14)、工作环境监测界面(15)进行显示。
10.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于，
锁紧解锁驱动电路(309)执行监控与通讯电路(3)的解锁磁悬浮转子指令，锁紧解锁监测电路(310)实时检测锁紧解锁装置(44)的状态，直至锁紧解锁装置(44)处于解锁状态完成解锁；
磁轴承驱动电路(303)执行监控与通讯电路(3)发送的悬浮指令，驱动磁轴承装置(41)保持磁悬浮转子处于稳定悬浮的状态，磁轴承监测电路(304)实时检测驱动磁轴承装置(41)的状态；
高速电机驱动电路(305)执行监控与通讯电路(3)发送的升速指令，驱动高速电机装置(42)使磁悬浮转子转动并升速至额定值，高速电机监测电路(306)实时检测驱动高速电机装置(42)的状态；
框架伺服驱动电路(307)执行监控与通讯电路(3)发送的角位置和角速度指令，驱动框架伺服装置(43)转动，框架伺服监测电路(308)实时检测驱动框架伺服装置(43)的状态；
工作环境监测电路(311)实时对工作环境进行检测；
其中，磁轴承监测电路(304)、高速电机监测电路(306)、框架伺服监测电路(308)、锁紧解锁监测电路(310)和工作环境监测电路(311)的检测输出通过监控与通讯电路(3)和CAN-USB转接卡(2)传送至计算机模拟监控界面(1)进行显示，监控磁悬浮控制力矩陀螺装置(4)在轨运行状态的工况。
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