專利名稱：一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域姿態(tài)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
控制力矩陀螺是大型航天器和空間站上重要的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，磁懸浮控制力矩陀螺相對于傳統(tǒng)的機(jī)械控制力矩陀螺具有大力矩輸出、低振動等優(yōu)點(diǎn)，所以在高精度大型衛(wèi)星以及空間站上具有廣闊的應(yīng)用前景。
現(xiàn)有的磁懸浮控制力矩陀螺的伺服系統(tǒng)都是根據(jù)不同的部件進(jìn)行集中控制，如對高速電機(jī)有一套控制器，對框架伺服電機(jī)有一套控制系統(tǒng)，對磁軸承有一套控制系統(tǒng)。因此被控部件之間無法進(jìn)行有效的高速通訊，而且如果被控部件更改或者添加時(shí)就必須對相應(yīng)的硬件做很大的改動。另外從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，現(xiàn)有的系統(tǒng)如果要保證每個(gè)被控部件高精度控制必須使用比較先進(jìn)的CPU，而利用高速高集成度的CPU只對一個(gè)部件進(jìn)行控制會造成資源上很大的浪費(fèi)。如果應(yīng)用高速高集成度的CPU對多個(gè)部件進(jìn)行控制，則存在CPU的運(yùn)算能力不夠的問題。因此現(xiàn)有技術(shù)存在被控部件之間無法進(jìn)行有效的高速通訊、系統(tǒng)柔性差以及資源浪費(fèi)的問題。本發(fā)明的高集成度的控制平臺對整個(gè)陀螺系統(tǒng)進(jìn)行分布式控制，采用一套控制系統(tǒng)，解決了被控部件之間無法進(jìn)行有效的高速通訊的問題；采用組件技術(shù)的應(yīng)用平臺，增強(qiáng)了服務(wù)軟件的柔性，為動態(tài)配置CORBA應(yīng)用程序提供了更大的靈活性；采用基于NiosII的FPGA運(yùn)動控制卡，避免了先進(jìn)CPU的資源浪費(fèi)的問題，簡化了電路，降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，其特征在于包括應(yīng)用層、系統(tǒng)層、現(xiàn)場總線及控制層。應(yīng)用層主要完成系統(tǒng)的狀態(tài)采集及監(jiān)控功能。系統(tǒng)層是整個(gè)平臺的軟件基礎(chǔ)，依靠軟件的操作為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)基準(zhǔn)?？刂茖觿t是對被控對象進(jìn)行底層的控制，并通過現(xiàn)場總線與系統(tǒng)層進(jìn)行高速通訊。應(yīng)用層包括狀態(tài)采集模塊、監(jiān)控模塊、通訊模塊和人機(jī)接口模塊。狀態(tài)采集模塊對被控對象的電流、速度、位置信號進(jìn)行采集送給監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊接收所采集數(shù)據(jù)對被控對象進(jìn)行控制并通過通訊模塊與人機(jī)接口模塊連接，人機(jī)接口模塊接收外部命令對平臺進(jìn)行控制并對通訊模塊傳上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)層包括基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺、RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))及嵌入式系統(tǒng)硬件。RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))通過修改Linux內(nèi)核并在修改后的新內(nèi)核中安裝RTAI來建立，該系統(tǒng)建立在嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)之上，基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺在RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))上建立，在該應(yīng)用平臺之上完成高速電機(jī)速度環(huán)的閉環(huán)運(yùn)算，框架電機(jī)速度環(huán)、位置環(huán)、自適應(yīng)前饋、摩擦補(bǔ)償及干擾觀測器等復(fù)雜運(yùn)算，磁軸承位置環(huán)及前饋的運(yùn)算?？刂茖影ɑ贜iosII的FPGA運(yùn)動控制卡及由高速電機(jī)、框架電機(jī)、磁軸承和每個(gè)被控部件對應(yīng)的伺服放大器組成的被控對象?；贜iosII的FPGA運(yùn)動控制卡在FPGA芯片上進(jìn)行NiosII內(nèi)核、DSP協(xié)處理器、定時(shí)器及相關(guān)構(gòu)件的配置，可以完成整個(gè)磁懸浮控制力矩陀螺伺服系統(tǒng)電流環(huán)的閉環(huán)控制。
本發(fā)明的原理是通過狀態(tài)采集模塊采集被控對象的電流、速度及位置信號。電流信號通過電流傳感器進(jìn)入FPGA運(yùn)動控制卡，通過在NiosII下編程實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的閉環(huán)運(yùn)算。系統(tǒng)層上在嵌入式系統(tǒng)硬件上安裝實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上建立基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺。在該平臺完成高速電機(jī)速度環(huán)閉環(huán)算法，完成框架電機(jī)的速度環(huán)和位置環(huán)的閉環(huán)算法及前饋、干擾觀測器的算法，完成磁軸承位置環(huán)的閉環(huán)算法及前饋算法。應(yīng)用層主要完成整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控功能。系統(tǒng)層上的數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用層后，經(jīng)過監(jiān)控模塊、通訊模塊最終到達(dá)人機(jī)接口模塊，操作者可以通過人機(jī)接口觀察當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)并對其進(jìn)行控制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明建立了磁懸浮控制力矩陀螺的控制平臺，把現(xiàn)有的各個(gè)部件的集中控制改為分布式控制，能夠很容易處理各個(gè)部件之間的相互關(guān)系，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制。
(2)本發(fā)明在嵌入式系統(tǒng)硬件上配置了RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))，并在該操作系統(tǒng)上建立了基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺。其中RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))建立在嵌入式系統(tǒng)硬件上，它是通過修改Linux內(nèi)核并在修改后的新內(nèi)核中安裝RTAI來配置，在該操作系統(tǒng)上組建了基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺。通過在該平臺上建立針對各個(gè)被控部件的組件，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)部件的控制，由于采用先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)硬件，提高了運(yùn)算速度及運(yùn)算精度。
(3)與現(xiàn)有的針對各個(gè)被控部件的控制器相比，本發(fā)明采用基于NiosII的FPGA運(yùn)動控制卡，把數(shù)字邏輯處理與運(yùn)算集成在一個(gè)單片系統(tǒng)中，不但能夠解決當(dāng)前集成控制系統(tǒng)運(yùn)算速度與控制精度不高的問題而且避免了先進(jìn)CPU的資源浪費(fèi)問題，同時(shí)降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。
總之，本發(fā)明的控制平臺使整個(gè)控制系統(tǒng)更加集成化，減少了資源浪費(fèi)，解決了各個(gè)部件之間通訊的問題。該設(shè)計(jì)簡化了電路，降低了系統(tǒng)的功耗，提高了系統(tǒng)的柔性和抗干擾能力。


圖1為本發(fā)明的控制平臺的結(jié)構(gòu)組成框圖；圖2為本發(fā)明的基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺配置流程圖；圖3為本發(fā)明的嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明的組件結(jié)構(gòu)圖；
圖5為本發(fā)明的基于NiosII的FPGA運(yùn)動控制卡主要功能模塊結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本實(shí)施例所采用的磁懸浮控制力矩陀螺的被控部件包括高速電機(jī)A、高速電機(jī)B、框架伺服電機(jī)、磁軸承A、磁軸承B及磁軸承Z。本發(fā)明包括應(yīng)用層1、系統(tǒng)層2、現(xiàn)場總線3及控制層4。應(yīng)用層1建立在系統(tǒng)層2上，系統(tǒng)層2則通過現(xiàn)場總線3與控制層4進(jìn)行通訊。應(yīng)用層1包括狀態(tài)采集模塊5、監(jiān)控模塊6、通訊模塊7和人機(jī)接口模塊8，主要完成傳感器的數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜算法運(yùn)算及監(jiān)控功能。狀態(tài)采集模塊5對高速電機(jī)A、高速電機(jī)B、框架電機(jī)的電流、速度、位置及磁軸承A、磁軸承B、磁軸承Z的電流和位置信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集送給監(jiān)控模塊6。監(jiān)控模塊6接收數(shù)據(jù)完成對高速電機(jī)A、高速電機(jī)B的速度環(huán)閉環(huán)算法，框架伺服電機(jī)的速度環(huán)和位置環(huán)的算法，磁軸承A、磁軸承B及磁軸承Z的位置環(huán)算法，并通過通訊模塊7與人機(jī)接口模塊8連接，人機(jī)接口模塊8接收外部命令對系統(tǒng)進(jìn)行控制并對通訊模塊7傳上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)層2包括基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺9、RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))10及嵌入式系統(tǒng)硬件11。首先在嵌入式系統(tǒng)硬件上安裝Linux操作系統(tǒng)，通過修改Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核并在修改后的新內(nèi)核中安裝RTAI來建立RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))10，基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺9在RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))10上建立，在該應(yīng)用平臺9之上完成高速電機(jī)A、高速電機(jī)B的速度環(huán)的閉環(huán)運(yùn)算，框架電機(jī)速度環(huán)、位置環(huán)、前饋、摩擦補(bǔ)償及干擾觀測器等復(fù)雜運(yùn)算，磁軸承A、磁軸承B、磁軸承Z位置環(huán)及前饋的運(yùn)算?？刂茖?包括基于NiosII的FPGA運(yùn)動控制卡12及由高速電機(jī)A、高速電機(jī)B、框架伺服電機(jī)、磁軸承A、磁軸承B及磁軸承Z以及它們所對應(yīng)的伺服放大器組成的被控對象13?；贜iosII的FPGA運(yùn)動控制卡12在FPGA芯片上進(jìn)行NiosII內(nèi)核、DSP協(xié)處理器、定時(shí)器及相關(guān)構(gòu)件的配置，通過采集電流傳感器的電流信號可以完成整個(gè)磁懸浮控制力矩陀螺伺服系統(tǒng)電流環(huán)的閉環(huán)控制，采集位置傳感器的位置信號，并把該位置信號及經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的電流信號通過現(xiàn)場總線傳送到嵌入式系統(tǒng)硬件，最后到達(dá)狀態(tài)采集模塊。
如圖2所示，本發(fā)明的基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺在硬件基礎(chǔ)上需要進(jìn)行以下配置準(zhǔn)備工作→安裝RTAI補(bǔ)丁→編譯建立Linux新內(nèi)核→安裝RTAI→編譯安裝ACE→編譯安裝TAO→編譯安裝CIAO。通過以上步驟，TAO和CIAO在RTAI系統(tǒng)上安裝完畢，整個(gè)系統(tǒng)不僅擁有符合POSIX 1003標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)內(nèi)核作為操作系統(tǒng)，而且TAO所提供的CORBA總線不僅可以滿足實(shí)時(shí)通訊需求，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度的可預(yù)測性，CIAO還可以提供對于組件規(guī)范的支持，滿足了開發(fā)快速可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)功能模塊的條件。
如圖3所示，本發(fā)明的嵌入式系統(tǒng)硬件采用X86CPU系統(tǒng)，采用成熟的All-in-One主板，并支持PC104總線，為操作系統(tǒng)的建立及平臺的搭建提供硬件支持。整個(gè)嵌入式系統(tǒng)包括按鍵、顯示、電源、X86CPU主板。其中按鍵和顯示屬于人機(jī)接口模塊，它們和電源及其它輔助性功能的模塊是集成在X86CPU主板上。
如圖4所示，為本發(fā)明的組件結(jié)構(gòu)圖。組件都是在基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺9上建立的。其中包括內(nèi)部模塊、外部模塊、微核API、設(shè)備驅(qū)動、通訊系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)硬件。微核的任務(wù)包括通信系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動系統(tǒng)。內(nèi)部應(yīng)用組件是微核的擴(kuò)展，它由以下組件組成①調(diào)度更新組件，主要提供控制器的虛擬時(shí)間，即控制器的時(shí)鐘同步和時(shí)間基準(zhǔn)，同時(shí)負(fù)責(zé)規(guī)定時(shí)刻的事件發(fā)送；②掃描器組件，是強(qiáng)實(shí)時(shí)組件，負(fù)責(zé)訪問設(shè)備驅(qū)動，并將數(shù)據(jù)存放于具體應(yīng)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中；③執(zhí)行器組件，也是強(qiáng)實(shí)時(shí)組件，主要將接收到的信息發(fā)送給高速電機(jī)、框架電機(jī)和磁軸承的硬件驅(qū)動。外部模塊包括高速電機(jī)A控制組件、高速電機(jī)B控制組件、框架電機(jī)控制組件及磁軸承控制組件。外部模塊的每個(gè)組件都是針對被控對象來組建的。
如圖5所示，本發(fā)明的基于NiosII的FPGA運(yùn)動控制卡，F(xiàn)PGA選用Altera公司的Stratix芯片，包括32位NiosII內(nèi)核、DSP協(xié)處理器、JTAG接口、定時(shí)器、BOOT ROM、片內(nèi)FIFO、Avalon三態(tài)總線。計(jì)算機(jī)通過JTAG接口對FPGA進(jìn)行調(diào)試編程，NiosII內(nèi)核通過Avalon三態(tài)總線對SDRAM接口、位置傳感器等外設(shè)進(jìn)行控制，DSP協(xié)處理器在NiosII內(nèi)核的控制下用于對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，定時(shí)器、BOOT ROM、片內(nèi)FIFO作為片內(nèi)資源通過NiosII內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度。利用SOPC Builder設(shè)計(jì)NiosII內(nèi)核，用QuartusII進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、編譯、編程設(shè)置及軟件源程序設(shè)計(jì)，用GNUPro進(jìn)行軟件的連編和調(diào)試。其中FPGA系統(tǒng)需要配置DSP協(xié)處理器，通過定制一些傳統(tǒng)的DSP運(yùn)算指令或反復(fù)出現(xiàn)的計(jì)算密集型算法指令，來加速CPU的處理能力，其IP核通過DSP Builder來輔助實(shí)現(xiàn)。通過配置定時(shí)器以保證硬件處理信息的實(shí)時(shí)性。除片選信號外，A/D接口時(shí)序遵守SPI協(xié)議，選用了SOPC中相應(yīng)的IP，對于片選信號，在系統(tǒng)中額外添加一個(gè)通用I/O口來控制。通過程序配置PWM，由光耦隔離后送給各個(gè)被控部件的伺服放大器。在FPGA中嵌入NiosII內(nèi)核是工業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向，將硬件設(shè)計(jì)軟件化，而且此設(shè)計(jì)方法可以對硬件做全面細(xì)致的模擬仿真，減少了硬件設(shè)計(jì)的錯誤，有效降低了開發(fā)成本，而且該方法屬于單片解決方案，從而簡化電路結(jié)構(gòu)，降低控制電路的功耗，提高電路的集成度、系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
本發(fā)明雖為單個(gè)磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，但也可以通過被控部件及系統(tǒng)層上的軟件組件形成磁懸浮控制力矩陀螺群的控制平臺。作為一種通用的開發(fā)式的數(shù)控平臺，應(yīng)用者可以根據(jù)其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域通過修改軟件來靈活方便地實(shí)現(xiàn)其功能。
權(quán)利要求
1.一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，其特征在于包括應(yīng)用層(1)、系統(tǒng)層(2)、現(xiàn)場總線(3)及控制層(4)，應(yīng)用層(1)包括狀態(tài)采集模塊(5)、監(jiān)控模塊(6)、通訊模塊(7)和人機(jī)接口模塊(8)；應(yīng)用層(1)建立在系統(tǒng)層(2)之上，主要完成信號的數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜算法運(yùn)算及監(jiān)控功能；系統(tǒng)層(2)包括基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺(9)、RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))(10)及嵌入式系統(tǒng)硬件(11)，為應(yīng)用層(1)提供操作平臺及實(shí)時(shí)基準(zhǔn)，并通過現(xiàn)場總線(3)與控制層(4)進(jìn)行通訊，交換控制環(huán)節(jié)中的過程量；控制層(4)包括基于Nios II的FPGA運(yùn)動控制卡(12)及由高速電機(jī)、框架電機(jī)、磁軸承以及它們所對應(yīng)的伺服放大器組成的被控對象(13)，完成對被控對象的電流環(huán)的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，其特征在于所述應(yīng)用層(1)中的狀態(tài)采集模塊(5)對被控對象(13)的電流、速度、位置進(jìn)行采集并送入監(jiān)控模塊(6)，監(jiān)控模塊(6)接收所采集的數(shù)據(jù)對被控對象進(jìn)行控制并通過通訊模塊(7)與人機(jī)接口模塊(8)連接，人機(jī)接口模塊(8)接收外部命令對控制平臺進(jìn)行控制并對通訊模塊(7)傳上來的電流、速度、位置等信號進(jìn)行顯示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，其特征在于所述系統(tǒng)層(2)中的RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))(10)建立在嵌入式系統(tǒng)硬件(11)上，通過修改Linux內(nèi)核并在修改后的新內(nèi)核中安裝RTAI來配置，在該操作系統(tǒng)上組建了基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺(9)，在該應(yīng)用平臺之上完成高速電機(jī)的速度環(huán)的閉環(huán)運(yùn)算，框架電機(jī)速度環(huán)、位置環(huán)、前饋、摩擦補(bǔ)償及干擾觀測器等復(fù)雜運(yùn)算，磁軸承位置環(huán)及前饋的運(yùn)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，其特征在于所述控制層(4)中的基于Nios II的FPGA運(yùn)動控制卡(12)在一片F(xiàn)PGA芯片上進(jìn)行Nios II內(nèi)核、DSP協(xié)處理器、定時(shí)器及相關(guān)構(gòu)件的配置，可以完成整個(gè)磁懸浮控制力矩陀螺伺服系統(tǒng)電流環(huán)的閉環(huán)控制。
全文摘要
一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，對磁懸浮控制力矩陀螺系統(tǒng)進(jìn)行集成化控制，其主要包括應(yīng)用層、系統(tǒng)層、現(xiàn)場總線及控制層。應(yīng)用層建立在系統(tǒng)層之上，主要完成信號的數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜算法運(yùn)算及監(jiān)控功能，包括狀態(tài)采集模塊、監(jiān)控模塊、通訊模塊和人機(jī)接口模塊。系統(tǒng)層為應(yīng)用層提供操作平臺及實(shí)時(shí)基準(zhǔn)，包括基于CORBA協(xié)議的應(yīng)用平臺、RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))及嵌入式系統(tǒng)硬件。控制層完成對被控部件的電流環(huán)的控制，包括基于Nios II的FPGA運(yùn)動控制卡、高速電機(jī)、框架電機(jī)、磁軸承及每個(gè)被控部件的伺服放大器。系統(tǒng)層則通過現(xiàn)場總線與控制層進(jìn)行通訊。本發(fā)明主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
文檔編號B64G1/28GK1974326SQ20061016516
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日
發(fā)明者房建成, 李海濤, 于靈慧, 王宗省, 賈軍 申請人:北京航空航天大學(xué)