CN1869846A - 一种集成化高精度控制力矩陀螺框架伺服数字控制装置 - Google Patents

Abstract

一种集成化、高精度控制力矩陀螺框架伺服数字控制装置，是一种能够用来对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统进行高精度控制的数字装置，其主要包括接口电路、DSP系统以及功率模块，DSP通过接口电路获取框架伺服电机电流、转速和位置信号等数据，按照一定的控制算法进行运算生成控制量并将其进行PWM调制，再将调制完成的PWM信号经驱动电路后传送到功率器件组成的单相逆变桥电路，生成框架伺服电机所需的控制电流，从而实现对伺服系统的高精度控制。本发明实现了控制力矩陀螺框架伺服系统数字控制器与数字功放的集成化设计，使得控制器集成度大大提高，并应用先进的控制算法实现了伺服系统的高精度控制。

Description

一种集成化高精度控制力矩陀螺框架伺服数字控制装置

技术领域

本发明涉及一种集成化高精度控制力矩陀螺框架伺服数字控制装置，用于对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统的高精度控制，特别适用于低功耗、高集成度、高精度的精密航天器控制执行机构。

背景技术

控制力矩陀螺是大型航天器和空间站上基本的姿态控制执行机构，磁悬浮控制力矩陀螺相对于传统的机械控制力矩陀螺具有大力矩输出、低振动等优点，所以在高精度大型卫星上具有广阔的应用前景。另外磁轴承支承无摩擦，避免了机械轴承本身由于摩擦带来的磨损，其可靠性取决于控制系统电子元器件的可靠程度，因此相对于机械轴承支承的控制力矩陀螺其具有更长的使用寿命。

框架伺服系统的速率输出精度决定磁悬浮控制力矩陀螺力矩的输出精度，因此框架伺服系统的高精度控制器是其必须突破的关键技术。现有的框架伺服系统控制器分为模拟控制器和数字控制器两大类。由于模拟控制器与高精度的角位置传感器连接，需要增加D/A环节，大大降低了角位置的精度，而且难于实现比较复杂的控制算法，不能满足磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统高精度控制的需要，因此数字控制器是必然选择。数字控制器的优点表现在：能够在线实时调节参数，能够实现复杂的控制器算法，能够满足高精度控制的要求。另外数字控制器适合集成化，模块化设计，相对于模拟控制器其体积大大缩小，而且功耗明显降低，这对于航天应用非常有吸引力。另外系统的更新换代由于只涉及软件而更为容易。但目前现有的伺服系统数字控制装置普遍采用的两环控制方式不能保证系统的控制精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种集成度高精度高、抗干扰能力强、体积小、重量轻的控制力矩陀螺框架伺服系统数字控制装置。

本发明的技术解决方案是：一种集成化高精度控制力矩陀螺框架伺服数字控制装置，其特征在于：包括角位置传感器、角速度传感器、电流传感器、框架伺服电机、接口电路、DSP系统、功率模块，其中信号接口电路包括位置传感器接口电路、转速信号接口电路与电流传感器接口电路，功率模块包括高速光耦隔离电路、驱动电路、单相逆变桥电路和过流保护信号产生电路；角位置传感器采集框架伺服电机的数字化角位置信号，经过位置传感器接口电路转换成DSP输入范围内的电压信号；角速度传感器采集框架伺服电机的角速度模拟信号，经过转速信号接口电路转换成DSP输入范围内的电压信号；电流传感器采集框架伺服电机的电流模拟信号，经过电流传感器接口电路转换成DSP输入范围内的电压信号；DSP系统同时采集上述的角位置的数字信号以及转速信号和伺服电机绕组电流模拟信号后，在内部同时进行伺服系统电流环、速率环和位置环的控制，按照控制算法进行运算生成控制量并将其进行PWM调制，再将调制完成的PWM信号经高速光耦隔离电路、驱动电路后传送至单相逆变桥电路，生成框架伺服电机所需的控制电流，从而实现对伺服系统的高精度控制。

此外，DSP系统上接有RS232接口，该RS232接口连接到具有框架电机指令给定及角位置和角速度直接显示的上位机，进行磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统角位置和角速度的任意给定和实时显示。

本发明的原理是：本发明提供了模拟量和数字信号的输入接口，提供了经功率放大后的电流输出接口，以及DSP与上位机相连的在线给定、调试、诊断与实时数据显示的通讯接口，由角位置传感器输出的数字量(位置信号)经过接口电路转换直接输入DSP系统、由角速率传感器输出的速率信号和电流传感器检测的伺服电机绕组中的电流信号被DSP的ADC模块采样，DSP对数字量(位置信号)和采样进来的速率信号、电流信号根据一定的数字控制算法进行运算处理；同时利用DSP的脉冲宽度调制PWM生成器对控制信号进行PWM调制，输出PWM调制信号以控制功率开关器件，通过接口提供给框架伺服电机控制电流。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用了DSP芯片能够接收数字和模拟信号的功能，同时采集伺服系统的角位置、角速率和电机电流信号，在数字控制器内部同时处理伺服系统电流环、速率环和位置环的控制算法，构建了高精度框架伺服电机控制装置，且同时具有调试灵活、方便。电路结构简单、体积小、重量轻。

(2)本发明所采用的电路结构省去了现有数字控制装置中处理位置控制环的D/A环节以及模拟功放中的PWM产生电路，用DSP将控制信号直接调制为PWM信号，这种设计简化了电路，加快了系统响应速度，提高了系统抗干扰能力。

(3)采用一片DSP芯片作为处理器完成框架伺服电机的高精度控制，并实现了伺服电机功放脉冲生成电路的数字化，降低了控制器功耗。特别适用于航空航天等对功耗有严格要求的领域。

(4)本发明提供了数字量和模拟量的输入接口，能够将电流、速率和位置控制算法的运算在数字控制器中同时进行，实现了各个环节参数的在线调节，满足了伺服电机控制信号的实时性要求。

总之，本发明的这种电路结构省去了现有数字控制装置中处理位置控制环的D/A环节以及模拟功放中的PWM产生电路，能够将位置环、速率环和电流环的控制算法同步运行。该设计简化了电路，加快了系统的响应速度，提高了系统的控制精度和抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的控制原理框图；

图3为本发明的DSP系统电路框图；

图4为本发明功率模块的结构框图；

图5为本发明的角位置传感器接口电路图；

图6为本发明的转速信号接口电路图；

图7为本发明的电流传感器接口电路图；

图8为本发明的DSP控制算法流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明包括接口电路12、DSP系统13以及功率模块14，其中接口电路12包括位置传感器接口电路7、转速信号接口电路10、电流传感器接口电路11，功率模块14包括高速光耦隔离电路4、驱动电路3、单相逆变桥电路2、电流传感器16和过流保护信号产生电路15，框架伺服电机角位置由角位置传感器输出的位置数字信号通过位置传感器接口电路7连接到DSP系统13，角速率传感器通过转速信号接口电路10连接到DSP系统13，电流传感器16通过电流传感器接口电路11连接到DSP系统13，DSP系统13接收到角位置传感器输出的位置数字信号，并分别采样角速率传感器输出的转速信号、电流传感器检测的框架伺服电机绕组中的电流信号后，根据数字控制算法进行运算处理，同时电流信号与控制信号进行比较后输出PWM信号，PWM信号直接经过高速光耦隔离电路4、驱动电路3传送给单相逆变桥电路2，以控制功率开关器件组成的单相逆变桥电路2生成框架伺服电机绕组所需的控制电流，从而实现框架伺服系统的高精度控制。本发明还设计有RS232接口6，可以进行DSP与上位机之间的通讯，通过上位机完成角位置和角速率的任意给定、控制参数的在线修改以及对伺服电机工作状态的实时显示和监控。

如图3所示，本发明的DSP系统13采用TMS320F2xxx系列芯片，位置传感器信号经过接口电路转换成(0～3V)直接送入DSP系统13，角速率传感器信号和电流传感器信号经过接口电路放大，电平偏移后与A/D输入范围相匹配(0～3V)，转速和电流信号经过前置抗混叠低通滤波(截止频率可以根据所采取的采样频率而进行调节)后送入DSP系统13的A/D输入端，然后DSP系统13按照数字控制的控制算法进行运算处理，产生伺服电机精确的控制量。TMS320F2xxx系列芯片由1个带可编程死区控制的比较单元可产生独立的1对(即两个输出)PWM信号。由于TMS320F2xxx系列芯片为设计人员提供了整套的片上系统，该设计使DSP系统不必扩展任何外围器件，就可以由一片DSP芯片完成框架伺服系统的高精度控制以及伺服电机功放的数字化，从而取代现有模拟功放电路中的控制信号与电流传感器电流信号的混合运算电路，以及相对复杂、功耗较大的脉冲生成电路。进而最大程度地满足系统集成化的要求，从而简化电路结构，降低控制电路的功耗，提高电路的集成度和系统的可靠性。

如图4所示，为本发明伺服电机的高速光耦隔离电路、驱动电路、过流保护产生电路和单相逆变桥电路的电路图，高速光耦电路采用TLP2630芯片实现了DSP输出的PWM信号与强电脉冲的隔离。PWM信号经IR2110驱动功率管IRF3710。过流保护产生电路采用比较器LM339和TLP2630、4001、4025构成，能够防止MOSFET电源侧直通并能提供伺服电机绕组的过电流保护。通过调节电位器来设置伺服电机绕组的电流门限值来实现，当伺服电机电流超过设定值或DSP输出的一个通道的一对PWM信号出现全高时，4025都输出低电平，从而防止伺服电机直流侧电源直通以及电机绕组过电流。

如图5所示，位置传感器接口电路对位置传感器输出的位置数字信号(0～5V)作降压，转换成与DSP系统输入量程相匹配的(0～3V)。本发明采用SN74ALVC164245芯片作为转换电路能够实现16路数字信号的同时转换，提高了系统的集成度。

如图6所示，转速传感器实时检测框架伺服电机的转速信号，转速传感器接口电路中电位器W03调节得到电压信号Safe_reg1，U10C芯片将Safe_reg1反相得到转速信号的输出保护电压值Safe_reg。转速信号V的电平偏移量BIAS_Vi通过电位器W0304调节得到，然后电位器W91对经U9A芯片处理过的转速传感器信号进行适当的放大和缩小，最后转换成与TMS320F2xxx芯片的A/D输入量程(0～3V)相匹配的信号值，再经过一级二阶低通滤波器，滤除高频噪声信号防止产生频谱混叠。

如图7所示，电流传感器实时检测框架伺服电机绕组电流，电流传感器接口电路由电位器W0102调节产生BIAS_Ci，U10D芯片将BIAS_Ci信号进行反相产生电流信号i的电平偏移量BIAS_C，然后电位器W101对经U10A芯片处理过的电流传感器信号进行适当的放大和缩小，最后得到与TMS320F2xxx芯片的A/D输入量程(0～3V)相匹配的电流信号值，再经过一级二阶低通滤波器，滤除高频噪声信号防止产生频谱混叠。

如图8所示，本发明采用了位置闭环微分先行PD、速率环PI、电流环PI加摩擦补偿的控制算法，可以有效抑制框架伺服系统的摩擦和其他与电机转速相关的各种干扰，实现磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统的高精度运转。Rm(k)表示位置给定信号；R(k)、v(k)和i(k)分别表示采入TMS320F2xxx芯片的角位置传感器输出的电机角位置数字信号、角速率传感器输出的电机角速率数字信号和电流传感器输出的电机线圈电流数字信号。

PWM1、PWM2为DSP输出的电机控制量的PWM调制信号，控制量的计算式为：

OUTi(k)＝PIEv(k)+Fc(k)

ER(k)＝Rm(k)-R(k)

Ev(k)＝PDER(k)-v(k)

Ei(k)＝OUTi(k)-i(k)

摩擦参数kc由电机线圈电流信号i(k)、电机角位置信号R(k)和角速率信号v(k)采用最小二乘法辨识计算得到，将kc和角速率信号v(k)代入摩擦模型Fc(kc，v(k))计算得到摩擦补偿量Fc(k)，PDER(k)由ER(k)经过PD控制计算得到，PIEv(k)由Ev(k)经过PI控制计算得到，将Ei(k)做PI运算，然后对该结果进行PWM调制并输出调制波形，具体的程序运算流程见图8。

本发明可以作为一种通用的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统高精度控制的硬件平台，提供了足够的硬件资源。应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改软件来灵活方便地实现其功能。

Claims (4)

1、一种集成化高精度控制力矩陀螺框架伺服数字控制装置，其特征在于：包括角位置传感器(8)、角速度传感器(9)、电流传感器(16)、框架伺服电机(1)、接口电路(12)、DSP系统(13)、功率模块(14)，其中信号接口电路(12)包括位置传感器接口电路(7)、转速信号接口电路(10)与电流传感器接口电路(11)，功率模块(14)包括高速光耦隔离电路(4)、驱动电路(3)、单相逆变桥电路(2)；角位置传感器(8)采集框架伺服电机(1)的数字化角位置信号，经过位置传感器接口电路(7)转换成DSP输入范围内的电压信号；角速度传感器(9)采集框架伺服电机(1)的角速度模拟信号，经过转速信号接口电路(10)转换成DSP输入范围内的电压信号；电流传感器(16)采集框架伺服电机(1)的电流模拟信号，经过电流传感器接口电路(11)转换成DSP输入范围内的电压信号；DSP系统(13)同时采集上述的角位置的数字信号以及转速信号和伺服电机绕组电流模拟信号后，在内部同时进行伺服系统电流环、速率环和位置环的控制，按照控制算法进行运算生成控制量并将其进行PWM调制，再将调制完成的PWM信号经高速光耦隔离电路(4)、驱动电路(3)后传送至单相逆变桥电路(2)，生成框架伺服电机所需的控制电流，从而实现对伺服系统的高精度控制。

2、根据权利要求1所述的集成化高精度控制力矩陀螺框架伺服数字控制装置，其特征在于：所述的DSP系统(13)上接有RS232接口(6)，所述的RS232接口(6)接口连接到具有框架电机指令给定及角位置和角速度直接显示的上位机(5)，进行磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统角位置和角速度的任意给定和实时显示。

3、根据权利要求1或2所述的集成化高精度控制力矩陀螺框架伺服数字控制装置，其特征在于：所述的DSP系统(13)采用一片TMS320F 2xxx系列芯片作为处理器，完成磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统的高精度控制，不需扩展任何外围器件。

4、根据权利要求1所述的集成化高精度控制力矩陀螺框架伺服数字控制装置，其特征在于：所述的功率模块还包括与驱动电路相接的过流保护信号产生电路(15)，以防止MOSFET电源侧直通并能提供伺服电机绕组的过电流保护。

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