CN109502055A - 控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统和方法。所述控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统包括：位置检测模块，用于检测控制力矩陀螺外框架的位置信息；电流检测模块，用于检测控制力矩陀螺外框架电机的两相电流信息；位置控制模块，用于接收位置控制信号，并根据所述位置检测模块检测到的位置信息输出速度控制信号；速度控制模块，用于接收速度控制信号，并根据所述位置检测模块检测到的位置信息输出电流控制信号；电流控制模块，用于接收电流控制信号，并根据所述电流检测模块检测到的两相电流信息以及所述位置检测模块检测到的位置信息，进行控制力矩陀螺外框架的驱动控制。本发明的控制系统及方法不仅提高了系统的精度，而且大大提高了系统的可靠性和响应的宽度。

Description

控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星控制技术领域，尤其涉及一种控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统及方法。

背景技术

现有卫星用的执行机构一般采用动量轮或者控制力矩陀螺，控制力矩陀螺相对于动量轮而言具有输出力矩大、机动性能好等优点。但仍存在以下不足：

(1)相对于动量轮而言，控制力矩陀螺的力矩输出精度响度相对较低，为进一步提高控制力矩陀螺的力矩输出精度需要提高控制力矩陀螺外框架的转速控制精度。

(2)通常而言，控制力矩陀螺的外框的驱动与控制多采用DSP或者DSP+FPGA为控制器，但是这种高等级的DSP芯片成本高。

因此，如何在不增加成本的情况下，有效地提高控制力矩陀螺外框架转速的控制精度和可靠性就成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统及方法，以有效地提高控制力矩陀螺外框架转速的控制精度和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供一种控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统，所述控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统包括：

位置检测模块，用于检测控制力矩陀螺外框架的位置信息；

电流检测模块，用于检测控制力矩陀螺外框架电机的两相电流信息；

位置控制模块，用于接收位置控制信号，并根据所述位置检测模块检测到的位置信息输出速度控制信号；

速度控制模块，用于接收速度控制信号，并根据所述位置检测模块检测到的位置信息输出电流控制信号；

电流控制模块，用于接收电流控制信号，并根据所述电流检测模块检测到的两相电流信息以及所述位置检测模块检测到的位置信息，进行控制力矩陀螺外框架的驱动控制。

在某些实施例中，所述位置检测模块包括绝对式光电编码器。

在某些实施例中，所述电流检测模块包括：两个霍尔电流传感器和两个AD转换芯片，所述AD转换芯片用于将所述霍尔电流传感器获取到的模拟信号转换为数字信号。

在某些实施例中，所述位置控制模块、速度控制模块和电流控制模块均设置于一FPGA芯片中。

在某些实施例中，所述电流控制模块包括：电流控制器和电机驱动电路，所述电流控制器接收电流控制信号，并根据所述电流检测模块检测到的两相电流信息以及所述位置检测模块检测到的位置信息获取电机驱动的驱动波形；所述电机驱动电路根据所述驱动波形进行电机的驱动控制。

在某些实施例中，所述电机包括永磁同步电机。

在某些实施例中，所述电流控制模块采用永磁同步电机矢量控制算法进行所述电机的驱动控制。

本发明还提供一种控制力矩陀螺外框架的驱动控制方法，所述方法包括：

检测控制力矩陀螺外框架的位置信息；

检测控制力矩陀螺外框架电机的两相电流信息；

接收位置控制信号，并根据所述检测到的位置信息输出速度控制信号；

接收速度控制信号，并根据所述检测到的位置信息输出电流控制信号；

接收电流控制信号，并根据所述检测到的两相电流信息以及所述检测到的位置信息，进行控制力矩陀螺外框架的驱动控制。

综上所述，本发明的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统及方法，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统及方法通过位置检测模块和电流检测模块进行信息检测，大大提高了检测到信息的精度；同时，本发明的系统及方法采用FPGA为控制器，不仅极大地提高控制系统控制精度，而且还进一步提高了控制系统的可靠性、响应带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统的一实现方式的结构示意图；

图2为本发明的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统的一具体实施例的结构示意图；

图3为本发明的控制力矩陀螺外框架的驱动控制方法的一实现方式的流程示意图；

图4为本发明的控制力矩陀螺外框架的驱动控制方法所基于的控制系统的一具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”、“第二”、“第三”等关系术语(如果存在)仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

在下述描述中，参考附图，附图描述了本发明的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本公开的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明.空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。

以下结合图1～图4，以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1示出了本发明的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统的一实现方式的结构示意图，如图1所示，所述控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统包括：位置检测模块10、电流检测模块20、位置控制模块30、速度控制模块40和电流控制模块50。

在本实施例中，所述位置控制模块30、速度控制模块40和电流控制模块50均设置于一FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片中。具体地，本实施例的控制系统可由图2所示的具体电路来实现。

参考图1和图2，所述位置检测模块10用于检测控制力矩陀螺外框架的位置信息。

在本实施例中，所述位置检测模块10包括绝对式光电编码器。所述绝对式光电编码器具有较高的检测精度，能够准确的实现控制力矩陀螺外框位置信息的检测，位置信息检测模块由FPGA实现数据处理并将处理后的位置信号发送给控制器FPGA和驱动器FPGA的位置环、速度环、电流环用于相应的计算。

所述电流检测模块20用于检测控制力矩陀螺外框架电机的两相电流信息。

在本实施例中，所述电流检测模块20完成外框架电机两相电流的实时检测，具体地，所述电流检测模块20包括：两个霍尔电流传感器和两个AD转换芯片，所述AD转换芯片用于将所述霍尔电流传感器获取到的模拟信号转换为数字信号。外框驱动器FPGA控制控制AD转换过程并定时读取AD转化数据。

所述位置控制模块30用于接收位置控制信号，并根据所述位置检测模块检测到的位置信息输出速度控制信号。

在本实施例中，所述位置控制模块可以由外框架位置控制器实现，该位置控制器位于控制FPGA芯片，位置控制器接收上位机发送位置控制信号和外框架位置检测模块反馈的位置信息，位置控制器根据信号位置和反馈位置信息进行计算得到速度控制信号，该速度控制信号发送到外框的速度控制模块。

所述速度控制模块40用于接收速度控制信号，并根据所述位置检测模块检测到的位置信息输出电流控制信号。

本实施例中，所述速度控制模块可以由外框架速度控制器实现，该速度控制器位于控制器FPGA芯片，速度控制器接收上位机发送的速度控制信号或者位置控制器输出的速度控制信号，并接收外框架位置检测模块反馈的位置信息；速度控制器将根据外框架位置检测模块反馈的位置信息计算出框架当前的转速，并根据转速信号和当前转速计算出电流控制信号，并将电流控制信号发送给外框架电流控制模块。

所述电流控制模块50用于接收电流控制信号，并根据所述电流检测模块检测到的两相电流信息以及所述位置检测模块检测到的位置信息，进行控制力矩陀螺外框架的驱动控制。

在本实施例中，所述电流控制模块包括：电流控制器和电机驱动电路，所述电流控制器接收电流控制信号，并根据所述电流检测模块检测到的两相电流信息以及所述位置检测模块检测到的位置信息获取电机驱动的驱动波形；所述电机驱动电路根据所述驱动波形进行电机的驱动控制。具体地，所述电机包括永磁同步电机。所述电流控制模块采用永磁同步电机矢量控制算法进行所述电机的驱动控制。

在实际应用中，所述电流控制模块可以由外框架驱动器FPGA实现，电流控制模块接收速度控制电路的控制器发送的电流控制信号、电流检测模块反馈的电机电流和位置检测模块提供的位置信息，电流控制器根据信号电流和反馈电流计算出用于电机驱动的PWM波形，并由驱动器FPGA将PWM输出至控制电机驱动电路实现电机的控制；控制力矩陀螺外框架电机采用永磁同步电机，电流环采用永磁同步电机矢量控制算法。

本实施例的驱动系统能够实现控制力矩陀螺外框架高精度的驱动控制，工程实践证明，采用该方法的控制力矩陀螺外框可以实现0.3′的位置控制精度、0.003°/s速度控制精度以及0.001°/s最小框架转速；控制力矩陀螺在输出较大力矩同时也能够实现较高的力矩输出精度，本实施例的驱动系统适用于惯量大、要求快速机动的卫星姿态控制系统。

本发明的驱动系统采用FPGA芯片实现高精度的驱动控制，不仅提高了系统的驱动精度，而且大大提高了控制系统的可靠性和响应带宽。

图3示出了本发明的控制力矩陀螺外框架的驱动控制方法的一实现方式的流程示意图，如图3所示，所述方法包括：

步骤S10，检测控制力矩陀螺外框架的位置信息；

步骤S20，检测控制力矩陀螺外框架电机的两相电流信息；

步骤S30，接收位置控制信号，并根据所述检测到的位置信息输出速度控制信号；

步骤S40，接收速度控制信号，并根据所述检测到的位置信息输出电流控制信号；

步骤S50，接收电流控制信号，并根据所述检测到的两相电流信息以及所述检测到的位置信息，进行控制力矩陀螺外框架的驱动控制。

本实施例的驱动控制方法，可以由基于FPGA控制力矩陀螺外框架高精度驱动控制系统实现，具体地，参考图4，所述系统可以包括位置环、速度环、电流环、电机检测模块、位置检测模块。

以下结合图3和图4对本实施例的驱动控制方法的工作原理做进一步详细说明：

控制芯片FPGA接收上位机的位置信号或者速度信号，以及位置检测模块反馈的陀螺外框架的当前位置，和电流检测模块反馈的电机两相电流。FPGA根据以上数据计算并产生PWM波形驱动电机，形成电机位置环、速度环、电流环的闭环控制。

该方法采用“三闭环控制”，包括位置环、速度环、电流环“三环”控制以及电流电测和位置检测两个反馈回路组成。三环中，位置环为最外环，速度环为中间环，电流环最内环；其中位置环完成控制力矩陀螺外框架的位置控制，速度环完成控制力矩陀螺外框架的速度控制，电流环完成控制力矩陀螺外框架的驱动，电流检测用于实现控制力矩陀螺外框架电机的两相电流检测，位置检测用于实现控制力矩陀螺外框位置的检测。整个控制方法的实现采用FPGA为控制器，在提高控制系统控制精度的同时，进一步提高了控制系统的可靠性、响应带宽。

位置环由外框架位置控制器实现，该位置控制器位于控制FPGA芯片，位置控制器接收上位机发送位置信号和外框架位置检测模块反馈的位置信息，位置控制器根据信号位置和反馈位置信息进行计算得到速度信号，该速度信号发送到外框的速度环的速度控制器中。

速度环由外框架速度控制器实现，该速度控制器位于控制器FPGA芯片，速度控制器接收上位机发送的速度控制信号或者位置控制器输出的控制信号，并接收外框架位置检测模块反馈的位置信息；速度控制器将根据外框架位置检测模块反馈的位置信息计算出框架当前的转速，并根据转速信号和当前转速计算出电流信号，并将电流信号发送给外框架电流环。

电流环由外框架驱动器FPGA实现，电流环接收速度环控制器发送的电流控制信号、电流检测模块反馈的电机电流和位置检测模块提供的位置信息，电流控制器根据信号电流和反馈电流计算出用于电机驱动的PWM波形，并由驱动器FPGA将PWM输出至控制电机驱动电路实现电机的控制；控制力矩陀螺外框架电机采用永磁同步电机，电流环采用永磁同步电机矢量控制算法。

位置检测由绝对式光电编码器完成，该编码器具有较高的检测精度，能够准确的实现控制力矩陀螺外框位置信息的检测，位置信息检测模块由FPGA实现数据处理并将处理后的位置信号发送给控制器FPGA和驱动器FPGA的位置环、速度环、电流环用于相应的计算。

电流检测模块完成外框架电机两相电流的实时检测，电机两相电流检测由两个霍尔电流传感器和两个AD转换芯片完成，外框驱动器FPGA控制控制AD转换过程并定时读取AD转化数据。

本实施例的驱动控制方法能够实现控制力矩陀螺外框架高精度的驱动控制，工程实践证明，采用该方法的控制力矩陀螺外框可以实现0.3′的位置控制精度、0.003°/s速度控制精度以及0.001°/s最小框架转速；控制力矩陀螺在输出较大力矩同时也能够实现较高的力矩输出精度。适用于惯量大、要求快速机动的卫星姿态控制系统。

本发明的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统及方法，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统及方法通过位置检测模块和电流检测模块进行信息检测，大大提高了检测到信息的精度；同时，本发明的系统及方法采用FPGA为控制器，不仅极大地提高控制系统控制精度，而且还进一步提高了控制系统的可靠性、响应带宽。

本领域内的技术人员应明白，上述各实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。这些实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。上述各实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来信号相关的硬件完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。

如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

上述各实施例是参照根据实施例所述的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序信号实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序信号到计算机设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机设备的处理器执行的信号产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统，其特征在于，包括：

位置检测模块，用于检测控制力矩陀螺外框架的位置信息；

电流检测模块，用于检测控制力矩陀螺外框架电机的两相电流信息；

位置控制模块，用于接收位置控制信号，并根据所述位置检测模块检测到的位置信息输出速度控制信号；

速度控制模块，用于接收速度控制信号，并根据所述位置检测模块检测到的位置信息输出电流控制信号；

电流控制模块，用于接收电流控制信号，并根据所述电流检测模块检测到的两相电流信息以及所述位置检测模块检测到的位置信息，进行控制力矩陀螺外框架的驱动控制。

2.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统，其特征在于，所述位置检测模块包括绝对式光电编码器。

3.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统，其特征在于，所述电流检测模块包括：两个霍尔电流传感器和两个AD转换芯片，所述AD转换芯片用于将所述霍尔电流传感器获取到的模拟信号转换为数字信号。

4.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统，其特征在于，所述位置控制模块、速度控制模块和电流控制模块均设置于一FPGA芯片中。

5.根据权利要求1所述的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统，其特征在于，所述电流控制模块包括：电流控制器和电机驱动电路，所述电流控制器接收电流控制信号，并根据所述电流检测模块检测到的两相电流信息以及所述位置检测模块检测到的位置信息获取电机驱动的驱动波形；所述电机驱动电路根据所述驱动波形进行电机的驱动控制。

6.根据权利要求5所述的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统，其特征在于，所述电机包括永磁同步电机。

7.根据权利要求6所述的控制力矩陀螺外框架的驱动控制系统，其特征在于，所述电流控制模块采用永磁同步电机矢量控制算法进行所述电机的驱动控制。

8.一种控制力矩陀螺外框架的驱动控制方法，其特征在于，包括：

检测控制力矩陀螺外框架的位置信息；

检测控制力矩陀螺外框架电机的两相电流信息；

接收位置控制信号，并根据所述检测到的位置信息输出速度控制信号；

接收速度控制信号，并根据所述检测到的位置信息输出电流控制信号；

接收电流控制信号，并根据所述检测到的两相电流信息以及所述检测到的位置信息，进行控制力矩陀螺外框架的驱动控制。