專利名稱：一種磁懸浮控制力矩陀螺框架與鎖緊控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磁懸浮控制力矩陀螺框架與鎖緊控制系統(tǒng)，用于對磁懸浮控制 力矩陀螺框架力矩電機的高精度、快響應控制和磁懸浮控制力矩陀螺的鎖緊與解鎖控 制，特別適用于要求高控制精度、快響應速度、高可靠性的精密航天器控制執(zhí)行機構。
背景技術：
控制力矩陀螺(CMG)是大型衛(wèi)星、空間站等大型航天器姿態(tài)機動的關鍵執(zhí)行機 構。CMG由高速轉子系統(tǒng)和框架力矩電機系統(tǒng)組成，根據高速轉子支承方式的不同， 分機械CMG和磁懸浮CMG。磁懸浮CMG采用磁懸浮的軸承支承方式相對于機械滾珠 軸承支承的機械控制力矩陀螺避免了機械軸承本身由于摩擦帶來的磨損，因此具有長壽 命、高轉速、大力矩輸出等優(yōu)點，在大型航天器上具有廣闊的應用前景。磁懸浮CMG的應用原理是高速磁懸浮轉子提供角動量，框架力矩電機轉動以改 變磁懸浮轉子的角動量方向，使CMG輸出力矩調整航天器姿態(tài)?？蚣芰仉姍C的角位置 控制精度和角速度控制精度越高，磁懸浮CMG輸出力矩的方向和大小越準確，而框架力 矩電機的響應越快，磁懸浮CMG輸出力矩的響應速度也越快，從而航天器姿態(tài)機動速度 也越快。因此框架力矩電機角位置和角速度的高精度、快響應控制是其必須突破的關鍵 技術?，F有的框架力矩電機控制方式分為三環(huán)控制和兩環(huán)控制兩種控制方式，兩環(huán)控制 方式為角速度環(huán)和電流環(huán)，由于沒有角位置環(huán)，很難實現框架力矩電機角位置的精確控 制，從而無法實現磁懸浮CMG輸出力矩方向的高精度控制；傳統(tǒng)的三環(huán)控制方式響應速 度很慢，無法實現航天器的快速機動能力，因此傳統(tǒng)的框架力矩電機控制方式無法滿足 角位置、角速度的高精度、快響應控制的統(tǒng)一。磁懸浮CMG的鎖緊裝置可保護磁懸浮轉 子不被火箭發(fā)射過程中的劇烈振動和沖擊損壞，超聲波電機的摩擦傳動機理可以實現斷 電自鎖緊，在火箭發(fā)射過程中超聲波電機不需供電，提高了系統(tǒng)的可靠性，十分適合磁 懸浮CMG的鎖緊裝置，但是超聲波電機的摩擦傳動產生的大量熱量使得超聲波電機的諧 振模態(tài)發(fā)生偏移，尤其在真空環(huán)境中，熱量無法通過對流形式散發(fā)，同時鎖緊時超聲波 電機所受到的軸向壓力也會使其諧振模態(tài)發(fā)生偏移，影響了超聲波電機的正常運行，甚 至停轉從而無法完成鎖緊裝置的鎖緊、解鎖。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現有磁懸浮控制力矩陀螺框架控制技術和超聲 波電機控制技術的不足并為磁懸浮轉子提供保護，提供一種高精度、快響應、高可靠的 磁懸浮控制力矩陀螺框架與鎖緊控制系統(tǒng)。本發(fā)明的技術解決方案是一種磁懸浮控制力矩陀螺框架與鎖緊控制系統(tǒng)，其 特征在于包括框架力矩電機、鎖緊機構、超聲波電機、鎖緊傳感器電路、DSP+FPGA 數控裝置，其中DSP+FPGA數控裝置包括CAN通訊電路、指令解析器、框架控制器、 鎖緊解鎖控制器、框架電機功率驅動電路、超聲波電機功率驅動電路、框架電機傳感器電路；框架電機傳感器電路包括旋轉變壓器激磁及軸角解碼電路、旋轉變壓器、電流傳 感器、A/D采樣電路；框架控制器包括角位置環(huán)控制器、角速度環(huán)控制器和電流環(huán)控制 器。星載計算機通過CAN通訊電路向框架控制器和鎖緊解鎖控制器傳送角位置給定指令 和鎖緊機構狀態(tài)的查詢指令及鎖緊、解鎖指令，角位置給定指令輸入指令解析器得到角 速度前饋指令和電流前饋指令，旋轉變壓器激磁及軸角解碼電路為旋轉變壓器提供激磁 電源，框架力矩電機帶動旋轉變壓器一起轉動，旋轉變壓器輸出四路與框架力矩電機角 位置有關的模擬電壓信號至旋轉變壓器激磁及軸角解碼電路，旋轉變壓器激磁及軸角解 碼電路對四路與框架力矩電機角位置有關的模擬電壓信號進行軸角解碼，輸出框架力矩 電機角位置的數字信號和角速度的模擬信號，電流傳感器輸出框架力矩電機的相電流模 擬信號，角速度的模擬信號和相電流的模擬信號通過A/D采樣電路轉換成角速度的數字 信號和相電流的數字信號，角位置給定與角位置的數字信號相減輸入至角位置環(huán)控制器 進行控制運算，角位置環(huán)控制器的輸出信號與角速度前饋指令之和與角速度的數字信號 相減輸入至角速度環(huán)控制器進行控制運算，角速度環(huán)控制器的輸出信號與電流前饋指令 之和與相電流的數字信號相減輸入至電流環(huán)控制器進行控制運算，電流環(huán)控制器輸出的 控制量即為PWM脈沖的占空比值，電流環(huán)控制器輸出PWM脈沖至框架電機功率驅動電 路，框架電機功率驅動電路對PWM脈沖進行放大、逆變成交流電壓信號驅動框架力矩電 機轉動。鎖緊傳感器電路對鎖緊機構和超聲波電機進行檢測輸出鎖緊機構狀態(tài)、溫度、 軸向位移的電壓信號至鎖緊解鎖控制器，鎖緊解鎖控制器輸出鎖緊機構狀態(tài)至CAN通訊 電路，并根據溫度、軸向位移確定超聲波電機的諧振模態(tài)，鎖緊解鎖控制器對CAN通訊 電路輸入的鎖緊、解鎖指令進行判斷，如果為鎖緊指令，則輸出在此諧振模態(tài)下的諧振 頻率的兩路相位差90度的方波電壓脈沖至超聲波電機驅動電路進行放大成相位差90度 的正弦高壓信號，驅動超聲波電機正向轉動，從而完成鎖緊機構的鎖緊；如果為解鎖指 令，則輸出在此諧振模態(tài)下的諧振頻率的兩路相位差-90度的方波電壓脈沖至超聲波電 機驅動電路進行放大成相位差-90度的正弦高壓信號，驅動超聲波電機反向轉動，從而 完成鎖緊機構的解鎖。此外，所述的DSP+FPGA數控裝置通過CAN通訊電路與星載計算機相連，可進 行磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)角位置或角速度的任意給定、角速度控制精度與穩(wěn) 定度測試、控制參數修改、控制帶寬測試、關鍵數據的實時圖像顯示和數據存儲、鎖緊 與解鎖控制、系統(tǒng)工作狀態(tài)查詢、故障診斷以及系統(tǒng)復位等功能。本發(fā)明的原理是星載計算機通過CAN通訊電路向框架控制器和鎖緊解鎖控制 器傳送角位置給定指令和鎖緊、解鎖指令，指令解析器根據角位置控制指令解析出角速 度前饋指令和電流前饋指令，旋轉變壓器激磁及軸角解碼電路輸出框架力矩電機轉子的 角位置反饋信號和角速度反饋信號，電流傳感器輸出框架力矩電機的相電流反饋信號， 角位置環(huán)控制器根據角位置給定指令和角位置反饋信號進行閉環(huán)控制，其輸出控制量與 角速度前饋指令之和作為角速度環(huán)控制器的給定值，角速度環(huán)控制器根據角速度環(huán)的給 定值及角速度反饋信號進行閉環(huán)控制，其輸出控制量與電流前饋指令之和作為電流環(huán)控 制器的給定值，電流環(huán)控制器根據其給定值和相電流反饋信號進行閉環(huán)控制輸出的控制 量為PWM占空比，框架控制器輸出PWM脈沖，框架電機功率驅動電路對PWM脈沖進 行放大、逆變成交流電壓信號驅動框架力矩電機轉動，由于角位置、角速度、電流三閉環(huán)的應用，提高了磁懸浮控制力矩陀螺框架角位置和角速度的控制精度，而角速度、電 流前饋的應用加快了框架力矩電機的響應速度；鎖緊解鎖控制器檢測超聲波電機的溫度 和軸向位移值，由于軸向位移反映了超聲波電機的軸向預緊力，而溫度和軸向預緊力影 響超聲波電機的諧振模態(tài)，根據超聲波電機溫度和軸向位移值與諧振模態(tài)的關系，采用 在此溫度和軸向位移下超聲波電機的諧振頻率，可使超聲波電機發(fā)熱量更少，運行更加 平穩(wěn)，從而提高了鎖緊機構的可靠性，鎖緊解鎖控制器輸出兩路該頻率方波電壓信號經 過超聲波電機驅動電路放大成正弦高壓信號驅動超聲波電機轉動，同時檢測微動開關所 處的狀態(tài)，直至完成鎖緊機構的鎖緊或解鎖。本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明所采用的角位置環(huán)、角速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)控制結構有效地保證了 框架伺服系統(tǒng)的角位置定位精度與角速度控制精度，從而保證了磁懸浮控制力矩陀螺輸 出力矩方向和大小的高精度，同時對角位置給定指令進行解析，為角速度環(huán)控制器和電 流環(huán)控制器分別提供了角速度前饋和電流前饋，加快了框架控制系統(tǒng)的響應速度，加快 了磁懸浮控制力矩陀螺輸出力矩的速度；角位置環(huán)、角速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)控制與角 速度、電流兩前饋的結合使用實現了高精度控制與快響應控制的統(tǒng)一。(2)星載計算機可通過CAN通訊電路獲得鎖緊機構的狀態(tài)并根據需求發(fā)出鎖 緊、解鎖指令，超聲波電機驅動電路驅動超聲波電機轉動完成鎖緊機構的鎖緊、解鎖， 有效地保護了磁懸浮控制力矩陀螺在火箭發(fā)射階段受到的振動和沖擊，提高了磁懸浮控 制力矩陀螺的可靠性，同時對超聲波電機進行溫度和軸向位移檢測并采用對應的諧振頻 率值，使得超聲波電機工作性能更加穩(wěn)定，提高了鎖緊機構的可靠性。(3)僅使用一套DSP+FPGA數控裝置就完成了磁懸浮控制力矩陀螺框架系統(tǒng)和 鎖緊系統(tǒng)的控制，框架和鎖緊控制系統(tǒng)共用DSP芯片、FPGA芯片、通訊電路、電源電 路，簡化了鎖緊系統(tǒng)、框架系統(tǒng)和星載計算機三者之間的通訊，有利于減少電路板的體 積、重量、功耗并增加可靠性。


[0012 [0013 [0014 [0015 [0016 [0017 [0018 [0019 [0020 [0021 [0022 [0023
圖1為本發(fā)明的結構組成框圖； 圖2為本發(fā)明的DSP芯片、FPGA芯片電路圖； 圖3為本發(fā)明的框架控制器流程圖； 圖4為本發(fā)明的CAN通訊電路圖； 圖5本發(fā)明的指令解析器內部組成與連接框圖； 圖6為本發(fā)明的旋轉變壓器激磁及軸角解碼電路圖； 圖7為本發(fā)明框架電機功率驅動電路圖； 圖8為本發(fā)明的電流傳感器電路圖； 圖9為本發(fā)明的鎖緊解鎖控制器流程圖； 圖10為本發(fā)明的超聲波電機功率驅動電路圖； 圖11為本發(fā)明的溫度及軸向位移傳感器電路圖； 圖12為本發(fā)明的鎖緊機構示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明包括框架力矩電機12、超聲波電機13、鎖緊機構10、鎖緊 傳感器電路11、DSP+FPGA數控裝置17，其中DSP+FPGA數控裝置17包括CAN通訊 電路2、指令解析器3、框架控制器9、鎖緊解鎖控制器16、框架電機功率驅動電路14、 超聲波電機功率驅動電路15、框架電機傳感器電路5;框架電機傳感器電路5包括旋轉變 壓器激磁及軸角解碼電路6、旋轉變壓器8、電流傳感器7、A/D采樣電路4;框架控制 器9包括角位置環(huán)控制器91、角速度環(huán)控制器92和電流環(huán)控制器93。星載計算機1通過 CAN通訊電路2向框架控制器9和鎖緊解鎖控制器16傳送角位置給定指令及鎖緊、解鎖 指令，角位置給定指令輸入指令解析器3得到角速度前饋指令和電流前饋指令，旋轉變 壓器激磁及軸角解碼電路6為旋轉變壓器8提供激磁電源，框架力矩電機12帶動旋轉變 壓器8 —起轉動，旋轉變壓器8輸出四路與框架力矩電機12角位置有關的模擬電壓信號 至旋轉變壓器激磁及軸角解碼電路6，旋轉變壓器激磁及軸角解碼電路6對四路與框架力 矩電機12角位置有關的模擬電壓信號進行軸角解碼，輸出框架力矩電機12角位置的數字 信號和角速度的模擬信號，電流傳感器7輸出框架力矩電機12的相電流模擬信號，角速 度的模擬信號和相電流的模擬信號通過A/D采樣電路4轉換成角速度的數字信號和相電 流的數字信號，角位置給定與角位置的數字信號相減輸入至角位置環(huán)控制器進行比例積 分運算，角位置環(huán)控制器的輸出信號與角速度前饋指令之和與角速度的數字信號相減輸 入至角速度環(huán)控制器進行比例積分微分運算，角速度環(huán)控制器的輸出信號與電流前饋指 令之和與相電流的數字信號相減輸入至電流環(huán)控制器進行比例運算，電流環(huán)控制器輸出 的控制量即為PWM脈沖的占空比值，電流環(huán)控制器輸出PWM脈沖至框架電機功率驅動 電路14，框架電機功率驅動電路14對PWM脈沖進行放大、逆變成交流電壓信號驅動框 架力矩電機12轉動。鎖緊傳感器電路11對鎖緊機構10和超聲波電機13進行檢測輸出 鎖緊機構狀態(tài)、溫度、軸向位移的電壓信號至鎖緊解鎖控制器16，鎖緊解鎖控制器16輸 出鎖緊機構狀態(tài)至CAN通訊電路2，并根據溫度、軸向位移確定超聲波電機13的諧振模 態(tài)，鎖緊解鎖控制器16對CAN通訊電路2輸入的鎖緊、解鎖指令進行判斷，如果為鎖緊 指令，則輸出在此諧振模態(tài)下的諧振頻率的兩路相位差90度的方波電壓脈沖至超聲波電 機驅動電路15進行放大成相位差90度的正弦高壓信號，驅動超聲波電機13正向轉動， 從而完成鎖緊機構10的鎖緊；如果為解鎖指令，則輸出在此諧振模態(tài)下的諧振頻率的兩 路相位差-90度的方波電壓脈沖至超聲波電機驅動電路15進行放大成相位差-90度的正 弦高壓信號，驅動超聲波電機13反向轉動，從而完成鎖緊機構10的解鎖。圖2為本發(fā)明的DSP芯片、FPGA芯片電路圖，為DSP+FPGA數控裝置17的 主要控制芯片，完成對DSP+FPGA數控裝置17的控制及檢測等操作。其中DSP芯片采 用TMS320C31，主要負責DSP+FPGA數控裝置17的軟件部分，指令解析器3、角位置環(huán) 控制器91、角速度環(huán)控制器92、電流環(huán)控制器93、鎖緊解鎖控制器16均在DSP芯片中 采用軟件編程實現；FPGA芯片采用EPF10K30，負責DSP+FPGA數控裝置17中硬件部 分，負責對CAN通訊電路2、框架電機功率驅動電路14、超聲波電機功率驅動電路15、 旋轉變壓器激磁及軸角解碼電路6、旋轉變壓器8、電流傳感器7、A/D采樣電路4的控 制。如圖3所示，為本發(fā)明的框架控制器9流程圖，框架控制器9采用軟件實現，完成框架力矩電機三閉環(huán)加兩前饋運算，首先接收角位置給定指令，讀取角位置的數字信 號以進行角位置環(huán)比例積分運算，運算公式為C。uts = KpsX ( θ g- θ g「θ f+ θ fl)+KisX ( θ g-θ f)+Coutsl,其中c。uts為角位置環(huán)控制器的運算輸出量，c。utsl為上一次角位置環(huán)控制器的 運算輸出量，θ g為角位置環(huán)的給定指令，θ gl為上一次角位置的給定指令，9丨為角位置 的數字信號，θ fl為上一次角位置的數字信號，Kps為角位置環(huán)控制器的比例系數，Kis* 角位置環(huán)控制器的積分系數；其次輸出角位置環(huán)控制器的運算結果，讀取角速度的數字 信號和角速度前饋指令以進行角速度環(huán)比例積分微分運算，運算公式為C。utv = KpvX (Cou te-CouM+Vq-VqfVf+Vf!) +KivX (C0uts+Vq-Vf) +Coutv^KdvX (Cout-2C0Utsl+C0Uts2+vq-2vql+vq2-vf+2vfl -νβ),其中C。utv為角速度環(huán)控制器的運算輸出量，C。utvl為上一次角速度環(huán)控制器的運算 輸出量，C。uts2為再上一次角位置環(huán)控制器的運算輸出量，Vq為角速度前饋指令，Vql為上 一次角速度前饋指令，Vq2為再上一次角速度前饋指令，Vf為角速度的數字信號，Vfl為上 一次角速度的數字信號，νβ為再上一次角速度的數字信號，Kpv*角速度環(huán)控制器的比 例系數，Kiv為角速度環(huán)控制器的積分系數；再次輸出角速度環(huán)控制器的運算結果，讀取 相電流的數字信號和電流前饋指令以進行電流環(huán)比例運算，運算公式為C。utl = Kp1X (Coutv -C。utvl+iq-iql-if+ifl)，其中C。utl為電流環(huán)的運算輸出量，即為PWM占空比值，iq為電流前 饋指令，iql為上一次電流前饋指令，if為電流的數字信號，ifl為上一次電流的數字信號。如圖4所示，為本發(fā)明的CAN通訊電路圖，主要由晶振、SJA1000及 PCA82C250組成。其中星載計算機通過PCA82C250與SJA1000相連，SJA1000與FPGA 芯片相連，晶振與SJA1000相連，為SJA1000提供工作時鐘，SJA1000為CAN通訊管 理器，負責CAN通訊中數據轉換、波特率設置、工作模式設定、屏蔽與校驗、中斷等功 能，PCA82C250為CAN通訊接口器件。如圖5所示，為本發(fā)明的指令解析器3原理圖，角位置指令經過后向差分后得到 含有大量IOOHz以上的高頻噪聲的角速度信息，低通濾波器去除高頻噪聲，角速度校正 器采用串聯校正，根據系統(tǒng)控制所要求的幅值余度、相角余度和截止頻率進行超前或滯 后校正，以得到合適的角速度前饋指令；角位置指令經過兩次后向差分及低通濾波器后 即可得到角加速度前饋指令，加速度至電流校正器將角加速度前饋指令進行串聯校正， 并根據角加速度β與電流I的轉換公式K1H1 = Jii得到電流前饋指令，其中K1為電磁 轉矩系數，T1為負載力矩，J為轉動慣量。如圖6所示，為本發(fā)明的旋轉變壓器激磁及軸角解碼電路6的圖，主要由旋轉變 壓器激磁電路和軸角解碼芯片組成，其中旋轉變壓器激磁電路輸出激磁電源至旋轉變壓 器的輸入繞組，旋轉變壓器的輸出繞組與軸角解碼芯片相連。旋轉變壓器激磁電路由晶 振、低通濾波器、大電流運放組成，其中晶振產生原始激磁信號至兩路低通濾波器進行 低通濾波，低通濾波器輸出至大電流運放進行電流放大以滿足旋轉變壓器電流的需求能 力。軸角解碼芯片采用AD2S80，與旋轉變壓器的輸出繞組相連，輸出角位置的數字信號 至框架控制器9和角速度的模擬信號至A/D采樣電路4。如圖7所示，本發(fā)明中框架電機功率驅動電路14主要由驅動芯片和三相逆變橋 組成，驅動芯片輸出6路驅動PWM至三相逆變橋。驅動芯片采用IR2110，三相逆變橋 使用6片IRF540搭建，3片IR2110將FPGA輸出的6路PWM脈沖轉化為三相逆變橋的 驅動信號分別輸出至6片IRF540，其中每片IR2110驅動三相逆變橋的一個橋的上下兩片IRF540,三相逆變橋的輸出至三相電機繞組，另外，IR2110還有shutdown引腳，拉高該 引腳可以關閉IR2110的輸出，從而關閉框架電機功率驅動電路，在延時上功率電、緊急 斷電、故障復位中有重要作用。如圖8所示，為本發(fā)明的電流傳感器7電路，主要由電流傳感器芯片和后續(xù)模 擬調理電路組成。電流傳感器芯片采用HBC001S/JN01，輸出為電流大小的電壓模擬信 號，線性好，精度高，響應快。后續(xù)模擬調理電路由降壓電路和低通濾波電路組成，降 壓電路將電流傳感器芯片輸出大的電壓模擬信號從-12V 12V降為-4V 4V，以滿足 A/D采樣電路-5V 5V的輸入電壓要求，低通濾波電路采用兩階壓控電壓源低通濾波 器，截止頻率介于有效頻率兩倍與PWM載波頻率之間，以消除三相逆變橋功率電路對電 流模擬信號的干擾，提高反饋電流信號的信噪比。如圖9所示，為本發(fā)明的鎖緊解鎖控制器16流程圖，鎖緊解鎖控制器采用軟件 實現，首先讀取溫度、軸向位移值，根據所測的超聲波電機諧振頻率與溫度、軸向位移 的關系數據表格選取諧振頻率，其次接收鎖緊、解鎖指令，讀取鎖緊微動開關、解鎖微 動開關狀態(tài)，如果是鎖緊指令且鎖緊微動開關未鎖緊，則輸出兩路相位差90度的方波電 壓脈沖使超聲波電機正向轉動完成鎖緊，如果鎖緊微動開關已鎖緊，則重新執(zhí)行流程； 如果是解鎖指令且解鎖微動開關未解鎖，則輸出兩路相位差-90度的方波電壓脈沖使超 聲波電機反向轉動完成解鎖，如果解鎖微動開關已解鎖，則重新執(zhí)行流程。如圖10所示，本發(fā)明的超聲波電機功率驅動電路15由驅動芯片IR2110、脈沖 變壓器、功率管IRF540組成。IR2110將FPGA輸出的PWM脈沖變成IRF540的驅動脈 沖，IRF540接在脈沖變壓器的輸入繞組，通過上下兩個IRF540 —定頻率的交替通斷，使 脈沖變壓器輸出一個相同頻率并升壓了的交流電壓，兩組超聲波電機功率驅動電路15分 別驅動超聲波電機的定子繞組和轉子繞組，通過更改定子繞組和轉子繞組脈沖的相位差 即可實現超聲波電機的正反轉控制。圖11為本發(fā)明的溫度及軸向位移傳感器電路圖，其中左側為溫度傳感器電路， 由鉬電阻R和分壓電阻Rtest組成，鉬電阻采用ptlOO，ptlOO的電阻值隨溫度變化，則
R
的電壓VADt發(fā)生變化，關系式為Rcxirrr^ = FM ,，其中，Vcc為傳感器電
源，電壓為+12V，R為ptlOO電阻，Rtest為分壓電阻，阻值為400歐姆。根據電 t值即可得到ptlOO的電阻值進而得到超聲波電機的溫度值。右側為超聲波電機軸向位移 傳感器電路，主要由振蕩電路，檢波電路，調理電路組成，其中振蕩電路在電感探頭Lz 上產生高頻正弦振蕩信號，振蕩信號幅值的大小與電感探頭Lz與超聲波電機軸之間的軸 向位移呈線性關系，檢波電路檢測出振蕩信號的幅值通過調理電路得到與超聲波電機軸 向位移值呈線性關系的電壓信號AD_s。圖12為本發(fā)明的鎖緊機構示意圖，鎖緊機構10由彈性壓片、牽引繩組成，彈性 壓片通過牽引繩與超聲波電機相連。CAN通訊電路2發(fā)送鎖緊指令時，鎖緊解鎖控制器 16輸出兩路相位差90度的方波電壓脈沖至超聲波電機驅動電路15進行放大成正弦高壓 信號驅動超聲波電機13正向轉動拉緊牽引繩，迫使彈性壓片發(fā)生彈性變形壓向磁懸浮轉 子，當完全壓緊時，鎖緊微動開關輸出低電平至鎖緊解鎖控制器16，使其停止輸出電壓 脈沖停止超聲波電機13轉動。CAN通訊電路2發(fā)送解鎖指令時，鎖緊解鎖控制器16輸出兩路相位差-90度的方波電壓脈沖至超聲波電機驅動電路15進行放大成正弦高壓信號 驅動超聲波電機13反向轉動松開牽引繩，彈性壓片逐漸恢復原形松開磁懸浮轉子，當完 全松開時，解鎖微動開關輸出低電平至鎖緊解鎖控制器16，使其停止輸出電壓脈沖使超 聲波電機13停轉。 本發(fā)明可以作為一種通用的磁懸浮控制力矩陀螺框架與鎖緊控制系統(tǒng)高精度、 快響應、高可靠控制的平臺，提供了充足的硬件資源和豐富的控制程序，應用者可以根 據其應用領域修改軟件來靈活方便地實現功能。
權利要求
1.一種磁懸浮控制力矩陀螺框架與鎖緊控制系統(tǒng)，其特征在于包括框架力矩電機 (12)、超聲波電機(13)、鎖緊機構(10)、鎖緊傳感器電路(11)、DSP+FPGA數控裝置 (17)；所述DSP+FPGA數控裝置(17)包括CAN通訊電路(2)、指令解析器(3)、框架 控制器(9)、鎖緊解鎖控制器(16)、框架電機功率驅動電路(14)、超聲波電機功率驅動 電路(15)和框架電機傳感器電路(5)；所述框架電機傳感器電路(5)包括旋轉變壓器激 磁及軸角解碼電路(6)、旋轉變壓器(8)、電流傳感器(7)和A/D采樣電路(4)；所述框 架控制器(9)包括角位置環(huán)控制器(91)、角速度環(huán)控制器(92)和電流環(huán)控制器(93)；星 載計算機(1)通過CAN通訊電路(2)向框架控制器(9)和鎖緊解鎖控制器(16)傳送角位 置給定指令信號及鎖緊、解鎖指令信號；角位置給定指令信號輸入指令解析器(3)得到 角速度前饋指令信號和電流前饋指令信號；旋轉變壓器激磁及軸角解碼電路(6)為旋轉 變壓器(8)提供激磁電源，框架力矩電機(12)帶動旋轉變壓器(8) —起轉動，旋轉變壓 器(8)輸出四路與框架力矩電機(12)角位置有關的模擬電壓信號至旋轉變壓器激磁及軸 角解碼電路(6)，旋轉變壓器激磁及軸角解碼電路(6)對四路與框架力矩電機(12)角位 置有關的模擬電壓信號進行軸角解碼，輸出框架力矩電機(12)角位置的數字信號和角速 度的模擬信號，電流傳感器⑵輸出框架力矩電機(12)的相電流模擬信號，角速度的模 擬信號和相電流的模擬信號通過A/D采樣電路(4)轉換成角速度的數字信號和相電流的 數字信號；角位置給定指令信號與角位置的數字信號相減輸入至角位置環(huán)控制器(91)進 行控制運算，角位置環(huán)控制器(91)的輸出信號與角速度前饋指令信號之和與角速度的數 字信號相減輸入至角速度環(huán)控制器(92)進行控制運算，角速度環(huán)控制器(92)的輸出信號 與電流前饋指令信號之和與相電流的數字信號相減輸入至電流環(huán)控制器(93)進行控制運 算，電流環(huán)控制器(93)輸出的控制量即為PWM脈沖的占空比值，電流環(huán)控制器(93)輸 出PWM脈沖至框架電機功率驅動電路(14)，框架電機功率驅動電路(14)對PWM脈沖 進行放大、逆變成交流電壓信號驅動框架力矩電機(12)轉動；鎖緊傳感器電路(11)對 鎖緊機構(10)和超聲波電機(13)進行檢測，輸出鎖緊機構狀態(tài)、溫度和軸向位移的電 壓信號至鎖緊解鎖控制器(16)，鎖緊解鎖控制器(16)輸出鎖緊機構狀態(tài)至CAN通訊電 路(2)，并根據溫度和軸向位移確定超聲波電機(13)的諧振模態(tài)，鎖緊解鎖控制器(16) 對CAN通訊電路(2)輸入的鎖緊、解鎖指令進行判斷，如果為鎖緊指令，則輸出在此諧 振模態(tài)下的諧振頻率的兩路相位差90度的方波電壓脈沖至超聲波電機驅動電路(15)進行 放大成相位差90度的正弦高壓信號，驅動超聲波電機(13)正向轉動，從而完成鎖緊機構 (10)的鎖緊；如果為解鎖指令，則輸出在此諧振模態(tài)下的諧振頻率的兩路相位差-90度 的方波電壓脈沖至超聲波電機驅動電路(15)進行放大成相位差-90度的正弦高壓信號， 驅動超聲波電機(13)反向轉動，從而完成鎖緊機構(10)的解鎖。
2.根據權利要求1所述的磁懸浮控制力矩陀螺框架與鎖緊控制系統(tǒng)，其特征在于 所述指令解析器(3)由后向差分、低通濾波器、角速度校正器和加速度至電流校正器組 成；角位置指令經過后向差分后得到含有大量高頻噪聲的角速度信息，低通濾波器去除 高頻噪聲，角速度校正器采用串聯校正，根據系統(tǒng)控制所要求的幅值余度、相角余度和 截止頻率進行超前或滯后校正，以得到合適的角速度前饋指令；角位置指令經過兩次后 向差分及低通濾波器后即可得到角加速度前饋指令，加速度至電流校正器將角加速度前 饋指令進行串聯校正，并根據角加速度β與電流I的轉換公式K^I-T1 = JP得到電流前饋指令，其中K1為電磁轉矩系數，T1為負載力矩，J為轉動慣量；由于角速度前饋與電 流前饋的使用，提高了框架力矩電機(12)的響應速度。
3.根據權利要求1所述的磁懸浮控制力矩陀螺框架與鎖緊控制系統(tǒng)，其特征在于 所述鎖緊機構(10)由彈性壓片、牽引繩組成，彈性壓片通過牽引繩與超聲波電機(13) 相連；鎖緊傳感器電路(11)由鎖緊微動開關、解鎖微動開關、溫度及軸向位移傳感器組 成；CAN通訊電路(2)發(fā)送鎖緊指令時，鎖緊解鎖控制器(16)輸出兩路相位差90度的 方波電壓脈沖至超聲波電機驅動電路(15)進行放大成正弦高壓信號驅動超聲波電機(13) 正向轉動拉緊牽引繩，迫使彈性壓片發(fā)生彈性變形壓向磁懸浮轉子，當完全壓緊時，鎖 緊微動開關輸出低電平至鎖緊解鎖控制器(16)，使鎖緊解鎖控制器(16)停止輸出電壓 脈沖停止超聲波電機(13)轉動；CAN通訊電路(2)發(fā)送解鎖指令時，鎖緊解鎖控制器 (16)輸出兩路相位差-90度的方波電壓脈沖至超聲波電機驅動電路(15)進行放大成正弦 高壓信號驅動超聲波電機(13)反向轉動松開牽引繩，彈性壓片逐漸恢復原形松開磁懸浮 轉子，當完全松開時，解鎖微動開關輸出低電平至鎖緊解鎖控制器(16)，使鎖緊解鎖控 制器(16)停止輸出電壓脈沖使超聲波電機(13)停轉，超聲波電機(13)在真空中轉動時 會產生大量熱量使其溫度上升從而使其諧振頻率發(fā)生偏移，而超聲波電機(13)軸向壓力 的變化也會使其諧振頻率發(fā)生偏移，如果不對諧振頻率進行控制，超聲波電機(13)可能 會出現停轉甚至毀壞的情況；溫度及軸向位移傳感器輸出超聲波電機的溫度及軸向位移 值，根據所測的超聲波諧振頻率值隨溫度及軸向位移值的變化關系，選擇對應的諧振頻 率，使超聲波電機(13)平穩(wěn)運行，提高了鎖緊機構(10)的可靠性。
全文摘要
一種磁懸浮控制力矩陀螺框架與鎖緊控制系統(tǒng)，其主要包括框架力矩電機、鎖緊機構、超聲波電機、鎖緊傳感器電路、DSP+FPGA數控裝置，其中DSP+FPGA數控裝置包括CAN通訊電路、指令解析器、框架控制器、鎖緊解鎖控制器、框架電機功率驅動電路、超聲波電機功率驅動電路、框架電機傳感器電路；框架控制器根據CAN通訊電路、指令解析器輸出的角位置、角速度、電流指令值及框架電機傳感器電路輸出的反饋值進行三閉環(huán)加兩前饋控制，實現了框架力矩電機高精度、快響應控制；鎖緊解鎖控制器根據鎖緊傳感器電路輸出的溫度、軸向位移值選擇超聲波電機的諧振頻率，并根據鎖緊、解鎖指令分別正、反轉超聲波電機，完成鎖緊機構的鎖緊、解鎖。
文檔編號H02N15/00GK102009597SQ20101053525
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權日2010年11月3日
發(fā)明者徐向波, 房建成, 王志強, 薛立娟 申請人:北京航空航天大學