CN1945467A - 一种快速响应的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

一种快速响应的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，其主要包括磁悬浮控制力矩陀螺框架、框架伺服力矩电机、角位置传感器、DSP数字控制装置，其中DSP数字控制装置包括电流传感器、电流和角位置传感器的接口电路、框架伺服系统控制器和非线性微分跟踪器，非线性微分跟踪器计算出框架伺服系统的角速率与速率给定求差后送入框架伺服系统控制器，以提高框架伺服控制系统的速率精度。本发明通过引入非线性跟踪微分器，实现了对框架伺服系统角位置点对点的微分跟踪，避免了用角位置差分求取角速率信号过程中混入的随机噪声，提高了伺服控制系统速率环反馈中角速率信号的精度，加快了框架伺服系统的响应速度，节省了框架伺服系统角速度传感器的使用。

Description

一种快速响应的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统

技术领域

本发明涉及一种快速响应的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，用于对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统的快响应高精度控制，特别适用于要求响应速度快、精度高的精密航天器控制执行机构。

背景技术

控制力矩陀螺(CMG)是空间站等大型航天器进行姿态控制所必需的关键执行机构。CMG由高速转子系统和框架伺服系统组成，高速转子支承是CMG的关键部件，通常有机械滚珠轴承支承和磁轴承支承两种方式，相应的CMG称为机械CMG和磁悬浮CMG。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。

磁悬浮控制力矩陀螺的应用原理是框架伺服系统强制高速转子进动，输出陀螺力矩用于调整航天器姿态。框架角速度越高，磁悬浮CMG力矩输出越大，而框架角速度输出精度越高磁悬浮CMG力矩输出的精度也越高，框架角速度响应快，磁悬浮CMG力矩输出的响应速度也快。因此框架伺服系统快响应速度、高精度控制器是其必须突破的关键技术。现有的框架伺服控制系统分为三环控制和两环控制两种控制方式，三环控制方式为电流环、速率环和位置环，位置环的设计是为了保证框架伺服系统的速率输出精度，但是位置环的设计也降低了整个系统的响应速度，减小了伺服系统的带宽；两环控制方式不影响系统的带宽特性，但是现有角速率传感器的输出精度远远低于角位置传感器的输出精度，传感器的精度严重降低了控制系统角速率精度的控制，求取角速率信号的另一种方法是通过角位置传感器信号的差分，但是差分信号依赖于采样时间，采样时间的减小导致混入大幅值高频率的类随机噪声信号。因此目前的这两种方法不能满足响应速度快、精度高的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有控制技术的不足，提供一种响应速度快、精度高、抗干扰能力强的控制力矩陀螺框架伺服控制系统。

本发明的技术解决方案是：一种快速响应的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，其特征在于：包括框架伺服力矩电机、陀螺房、角位置传感器、DSP数字控制装置，其中DSP数字控制装置包括电流传感器、电流传感器接口电路、角位置传感器接口电路、非线性微分跟踪器与框架伺服系统控制器；角位置传感器采集框架伺服力矩电机的角位置信号，经过角位置传感器接口电路转换成DSP输入范围内的电压信号；进入非线性跟踪微分器实现点对点的角速率信号计算；电流传感器采集框架伺服力矩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；框架伺服系统控制器采集上述计算出的角速率数字信号和伺服电机绕组的电流模拟信号后，同时进行伺服系统电流环和速率环的控制计算，按照控制算法进行运算生成控制量并将其通过功率模块进行PWM调制放大处理，生成框架伺服力矩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，所述的DSP数字控制装置上接有RS232接口连接到具有框架伺服力矩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(角位置信号)经过接口电路转换直接输入DSP数字控制装置的非线性微分跟踪器，由非线性微分跟踪器计算出角速率信号直接输入框架伺服系统控制器进行速率环的控制量计算；同时电流传感器采集框架伺服力矩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；框架伺服系统控制器采集上述计算出的角速率数字信号和伺服电机绕组的电流模拟信号后，同时进行伺服系统电流环和速率环的控制计算，按照控制算法进行运算生成控制量并将其通过功率模块进行PWM调制，输出PWM调制信号以控制功率开关器件，生成框架伺服力矩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、速率环的控制算法，构建了高精度框架伺服电机数字控制装置，且同时具有调试灵活、方便。本发明的电路结构简单、体积小、重量轻。

(2)本发明所采用的控制结构省去了现有高精度伺服控制系统中的位置环，提高了整个伺服系统的响应速度，DSP数字控制装置中的非线性微分跟踪器将角位置传感器的角位置信号处理成高精度的角速率信号，这种设计提高了框架伺服系统的速率输出精度，同时，加快了系统响应速度，提高了系统抗干扰能力。

(3)采用DSP芯片作为处理器完成框架伺服电机的高精度控制算法，实现了框架伺服控制系统的集成化，大大降低了整个控制系统的功耗。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，满足了框架伺服电机控制信号的实时性要求。

总之，本发明的这种控制系统省去了现有数字控制装置中处理位置控制环的计算环节，简化了控制算法，加快了伺服系统的响应速度；同时能够采集处理位置数字信号和电流模拟信号，并将其控制算法同步运行；非线性微分跟踪器能够点对点计算角位置的微分信号，即角速率信号，实现了精确的角速率信号还原，该设计简化了电路，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为本发明的电流传感器接口电路图；

图7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，本发明包括框架伺服系统控制器4、非线性微分跟踪器3、角位置传感器接口电路12、电流传感器接口电路11以及功率模块6，其中非线性微分跟踪器3、框架伺服系统控制器4、功率模块6、角位置传感器接口电路12、电流传感器接口电路11和电流传感器10组成DSP数字控制装置5。框架伺服力矩电机的角位置由角位置传感器输出的角位置数字信号通过角位置传感器接口电路12连接到非线性微分跟踪器3，通过非线性微分跟踪器3计算出框架伺服力矩电机7的角速率信号，将角速率信号输入框架伺服系统控制器4计算速率环的控制输出量，然后将输出量与框架伺服力矩电机7的电流经过电流传感器检测，并通过电流传感器接口电路的电流信号进行比较后送入电流环控制器输出PWM控制信号。PWM信号直接经过功率模块6的高速光耦隔离电路、驱动电路传送给单相逆变桥电路，以控制功率开关器件组成的单相逆变桥电路生成框架伺服力矩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2，可以进行DSP与上位机1之间的通讯，通过上位机1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力矩电机工作状态的实时显示和监控。

如图3所示，本发明的DSP数字控制装置5的芯片采用TMS320F2xxx系列芯片，角位置信号经过角位置传感器接口电路12转换成(0～3V)直接送入DSP芯片，进入非线性微分跟踪器3计算出角速率信号，直接用于速率环控制量的计算。电流信号经过电流传感器接口电路11进行放大、电平偏移后与A/D输入范围(0～3V)相匹配，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芯片的A/D输入端，然后进入电流环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功率模块4包括高速光耦隔离电路、驱动电路、过流保护产生电路和单相逆变桥电路，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，角位置传感器接口电路12对角位置传感器9输出的角位置数字信号(0～5V)作降压，转换成与DSP数字控制芯片输入量程相匹配的(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，电流传感器实时检测框架伺服力矩电机绕组电流，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7所示，本发明采用了速率环PID、电流环PI加摩擦补偿的控制算法，可以提高整个系统的动态响应速度，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。Vm表示角速率给定信号；v(k)表示为角位置经过非线性微分跟踪器计算出的角速率信号，R(k)和i(k)分别表示采入TMS320F2xxx芯片角位置传感器输出的电机角位置数字信号和电流传感器输出的电机线圈电流数字信号。

非线性微分跟踪器的控制计算式为：

p(k+1)＝v(k)·T+p(k)

v(k+1)＝[-a1·(p(k)-R(k))]^1.1-a2·v(k)]·T+v(k)

其中v(k)为非线性微分跟踪器的速率输出信号，T为采样时间，a1和a2为微分跟踪器的调节参数，p(k)为微分跟踪器的角位置输出信号，只要调节参数a1和a2的值保证p(k)绝对跟踪角位置传感器信号的输入R(k)，则微分跟踪器的输出v(k)就能点对点的跟踪伺服系统的角速率信号。角速率信号v(k)直接送入控制系统的速率环。

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)＝PIEi(k)+Fc(k)

Ev(k)＝Vm-v(k)

Ei(k)＝PIEv(k)-i(k)

摩擦参数kc由电机线圈电流信号i(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)。PIEv(k)由Ev(k)经过PID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。

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平台，提供了足够的硬件资源，和先进的控制算法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、一种快速响应的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，其特征在于：主要包括框架伺服力矩电机(7)、磁悬浮控制力矩陀螺框架(8)、角位置传感器(9)、DSP数字控制装置(5)，其中DSP数字控制装置(5)包括电流传感器(10)、电流传感器接口电路(11)、角位置传感器接口电路(12)、非线性微分跟踪器(3)与框架伺服系统控制器(4)；角位置传感器(9)采集框架伺服力矩电机(7)的角位置信号，经过角位置传感器接口电路(12)转换成DSP输入范围内的电压信号；然后进入非线性跟踪微分器(3)实现点对点的角速率信号计算；电流传感器(10)采集框架伺服力矩电机(7)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；框架伺服系统控制器(4)采集上述计算出的角速率数字信号和伺服电机绕组的电流模拟信号后，同时进行伺服系统电流环和速率环的控制计算，生成控制量并将其通过功率模块(6)进行PWM调制放大处理，生成框架伺服力矩电机(7)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所述的高精度磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，其特征在于：所述的DSP数字控制装置(5)上接有RS232接口(2)，该接口连接到具有框架伺服力矩电机(7)指令给定及角位置和角速度直接显示的上位机(1)，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所述的高精度磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，其特征在于：所述的DSP数字控制装置(5)采用非线性微分跟踪器(3)计算角位置微分信号，即角速率信号，用计算出的角速率信号作为速率环的速率反馈值，与速率给定求差输入速率环的控制器，实现磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统的速率输出高精度控制，不需要增加位置环控制环节，减小了整个控制系统的响应时间。

4、根据权利要求1或2所述的高精度磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，其特征在于：所述的DSP数字控制装置(5)的芯片采用TMS320F2xxx系列芯片。

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