專利名稱：一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)，用于對微小衛(wèi)星主動姿態(tài)控制用微小飛輪的高精度控制，特別適合于對體積重量、功耗和力矩精度有較高要求的空間應用場合。
背景技術：
按衛(wèi)星的質量劃分，一般將IOOOkg以下的衛(wèi)星稱為小衛(wèi)星?，F(xiàn)代小衛(wèi)星具有許多大型衛(wèi)星不可比擬的優(yōu)點，如體積小、重量輕、研制和發(fā)射成本低、研制周期短，在空間軌道上可布置較多的數(shù)量以作備份，提供更大的冗余。小衛(wèi)星還具有高新技術含量高、技術集成度高和功能密度大等特點，已成為最活躍、最富于挑戰(zhàn)性和具有廣闊商業(yè)前景的空間技術領域，也是21世紀衛(wèi)星技術發(fā)展的重要趨勢。而微小衛(wèi)星作為小衛(wèi)星家族中的一員，具有小衛(wèi)星的共性特點，更適合科學技術試驗和大學教學，也可以組成低軌道衛(wèi)星星座。此外， 微小衛(wèi)星的另一個突出特點是技術擴展性強，從微小衛(wèi)星這一技術平臺出發(fā)，可進一步向微小化發(fā)展而研制納衛(wèi)星；或向多用途化發(fā)展而研制小衛(wèi)星；或向集群化發(fā)展而研制微小衛(wèi)星星座；還可以向深空探測發(fā)展而研制小型深空探測器。輕型高精度姿態(tài)控制系統(tǒng)的研制作為現(xiàn)代微小衛(wèi)星研制的關鍵技術，業(yè)已受到國內外的廣泛關注。目前采用的方案主要以重力梯度穩(wěn)定、主動磁控加一個偏置動量輪作為姿態(tài)控制的穩(wěn)定機構。微小飛輪作為一類應用在IOOkg以下微小衛(wèi)星上的姿態(tài)控制執(zhí)行機構，可以提高衛(wèi)星功率密度、減輕衛(wèi)星的質量、減小衛(wèi)星的體積并降低發(fā)射成本，適合微小衛(wèi)星“快、好、省”的原則。現(xiàn)有的基于數(shù)字實現(xiàn)的飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)中在中國專利“CN101800505A”公開的“一種磁懸浮飛輪轉速控制方法”中，采用光電碼盤利用M/T法進行測速，并對轉速反饋值進行模糊自適應kalman濾波，具有較高的測速精度；而在中國專利“CN101127501”公開的“一種磁懸浮反作用飛輪電機高精度速率模式控制系統(tǒng)”中，以DSP為控制核心，低速時采用增量式軸角編碼器測速，高速時采用霍爾效應位置傳感器測速，實現(xiàn)了磁懸浮反作用飛輪電機的高精度速率模式控制。但這兩種控制系統(tǒng)都需要高精度的測速裝置光電碼盤， 受限于光源的壽命以及增加了結構的復雜性和體積重量，難以滿足微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的應用需要。在中國專利“CN101388631”公開的“一種磁懸浮反作用飛輪電機控制系統(tǒng)”中，采用Cuk升降壓變換器和三相星型半橋，并經轉速調節(jié)和電流調節(jié)進行控制，一定程度上改善了系統(tǒng)動態(tài)；但其采用霍爾位置傳感器，難以得到高精度的轉速信息，而且三相星型半橋降低了繞組效率并導致?lián)Q相轉矩脈動較大，影響了力矩輸出精度。在中國專利“CN1968003”公開的“一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無刷電動機控制系統(tǒng)”中，采用FPGA系統(tǒng)進行位置、速度、電流三環(huán)控制，實現(xiàn)了直流無刷電動機控制器的集成化、低功耗，但其通過三閉環(huán)控制算法直接控制電機的位置，經過位置、速度閉環(huán)算法才能得到電機控制所需要的參考電流，響應速度較慢，并不適合飛輪這種工作在高速并通過變速來實現(xiàn)力矩輸出的應用場合。而在中國專利“CN101734379A”公開的“一種基于FPGA的微小飛輪高集成度高精度控制系統(tǒng)”中，采用速率補償?shù)牧啬Ｊ娇刂品椒?，通過力矩補償器將速率指令值與位置檢測裝置的速率反饋值比較綜合得到補償力矩，但其位置檢測裝置仍然采用霍爾傳感器，無法得到高精度的速率反饋值，而且其力矩指令需經過積分再乘以1/J才能得到速率指令值，需要準確地知道飛輪轉子的慣性矩J，而J值往往不易準確測得。另外，在中國專利“CN102023652A”公開的“水箱液位控制器”中，采用單神經自適應PID控制器，輸出幾乎沒有超調，過渡時間短，動態(tài)響應快；在中國專利“CN101673119”公開的“一種控制織機送經卷取過程中經紗張力穩(wěn)定的方法”中，基于主控制器PLC采用單神經元自適應PID算法在SAURER400型劍桿織機上進行實驗，取得了良好的控制效果。但在這兩種單神經元自適應PID算法的工程應用中，當設定的神經元增益較小時，系統(tǒng)響應慢， 超調量減?。划斣O定的神經元增益較大時，系統(tǒng)響應快，但是超調量增大，調整時間變長，因此在工程應用之前需要經過大量的試驗來確定較優(yōu)的神經元增益，未能真正地實現(xiàn)自適應的功能。

發(fā)明內容
本發(fā)明解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種采用非線性變換在線修正方法，基于改進的單神經元自適應PID控制器并以FPGA模塊為控制核心的輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了微小衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機構的高精度力矩輸出。本發(fā)明的技術解決方案是一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)，其特點在于包括上位機、RS-232通信電路、指令解析器、力矩-電流轉換器、單神經元自適應PID控制器、PWM脈寬調制器、Buck變換器、三相全橋驅動裝置、無刷直流電機本體、換相邏輯信號產生器、霍爾信號濾波器、AD采樣電路和信號調理電路。FPGA模塊包括指令解析器、力矩-電流轉換器、單神經元自適應PID控制器、PWM脈寬調制器和換相邏輯信號產生器等。FPGA模塊中的指令解析器將通過RS-232通信電路從上位機接收到的力矩控制指令進行解析得到指令力矩值，經過力矩-電流轉換器轉換得到指令電流值；無刷直流電機本體上的直流母線電流通過信號調理電路和AD采樣電路采樣后得到直流母線電流的數(shù)字采樣值，作為微小飛輪力矩模式電流閉環(huán)的反饋值與指令電流值作差后，經單神經元自適應PID控制器綜合后得到被調制信號值；被調制信號值經過PWM脈寬調制器后產生PWM控制信號，直接用來控制Buck變換器中開關器件的占空比，以保證Buck變換器輸出穩(wěn)定的直流電壓作用在三相全橋驅動裝置直流母線上；無刷直流電機本體中的霍爾效應位置傳感器產生3路霍爾信號，經過霍爾信號濾波器濾波后輸入到換相邏輯信號產生器中根據邏輯換相表產生正反轉的換相信號，用于控制三相全橋驅動裝置中的三相橋進行正確地換相，進而控制微小飛輪無刷直流電機本體中U、V、W三相繞組的電流，以實現(xiàn)對微小飛輪力矩的高精度輸出。所述的單神經元自適應PID控制器離散控制律為
權利要求
1.一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于包括上位機(l)、RS-232通信電路O)、指令解析器(3)、力矩-電流轉換器G)、單神經元自適應PID控制器(5)、PWM脈寬調制器(6)、Buck變換器(7)、三相全橋驅動裝置(8)、無刷直流電機本體(9)、換相邏輯信號產生器(10)、霍爾信號濾波器(11)、AD采樣電路(12)、信號調理電路(13) ；FPGA模塊包括指令解析器( 、力矩-電流轉換器(4)、單神經元自適應PID控制器( 、PWM脈寬調制器(6)和換相邏輯信號產生器(10) ；FPGA模塊中的指令解析器(3)將通過RS-232通信電路( 從上位機(1)接收到的力矩控制指令進行解析得到指令力矩，再經過力矩-電流轉換器(4)轉換得到參考電流；無刷直流電機本體(8)上的直流母線電流通過信號調理電路(13)和AD采樣電路(12)采樣后得到直流母線電流的數(shù)字采樣值，作為微小飛輪力矩模式電流閉環(huán)的反饋值和參考電流作差后經過單神經元自適應PID控制器( 綜合后得到被調制信號值；被調制信號值同時經過PWM脈寬調制器(6)產生PWM控制信號，直接用來控制 Buck變換器(7)中開關器件的占空比，以保證Buck變換器(7)輸出穩(wěn)定的直流電壓作用在三相全橋驅動裝置(8)直流母線上；無刷直流電機本體(9)中的霍爾效應位置傳感器產生3路霍爾信號，經過霍爾信號濾波器(11)濾波后輸入到換相邏輯信號產生器(10)中根據邏輯換相表產生正反轉的換相信號，用于控制三相全橋驅動裝置(8)中的三相橋進行正確地換相，進而控制微小飛輪無刷直流電機本體(9)中的U、V、W三相繞組的電流，以實現(xiàn)微小飛輪力矩的高精度輸出。
2.根據權利要求1所述的一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于所述的單神經元自適應PID控制器( 離散控制律為
3.根據權利要求2所述的一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于所述的單神經元自適應PID控制器(5)離散控制律中神經元增益Ku(k)采用如下的非線性變換在線修正方法
4.根據權利要求2所述的一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于所述的單神經元自適應PID控制器( 離散控制律中權值W' i(k)的學習算法為W1 (k)-wx{k-i)+I^e(Ji)U(Ji)Xl {k)W2 (k)-w2{k-X)+^e{k)u{k)x2 {k)< W3 (k) = -1) + t]De(k)u(k)x3 (k)( 3 )^) = ^(^)/2^(4(/ = 1,2,3)式中，I，η ρ, nD分別為積分、比例、微分的學習速率，而PID參數(shù)的學習修正主要與e(k)與Ae(k)有關，基于此可將權值i(k)學習修正部分進行修改，即令X1 (k)= X2 (k) = X3 (k) = e(k) + Ae(k)，其中Δ e (k)為當前k時刻誤差e(k)的變化量，即Δ e (k) = e(k)-e (k-1) ；M Wi (k)為當前1^時刻神經元狀態(tài)的加權系數(shù)，其中巧(10、 (10、％(10分別為當前k時刻神經元狀態(tài)X1 (k)、X2 (k)、X3 (k)的加權系數(shù)，W1 (k-1)、W2 (k-1)、W3 (k-1)分別為當前k時刻前一時刻的神經元狀態(tài)X1 (k)、x2 (k)、X3 (k)的加權系數(shù)。
全文摘要
一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)，作為一類應用在100Kg以下微小衛(wèi)星上的姿態(tài)控制執(zhí)行機構，主要由FPGA模塊、三相全橋驅動裝置、RS-232通信電路、Buck變換器、AD采樣電路及信號調理電路、霍爾信號濾波器等組成，其中FPGA模塊包括指令解析器、力矩-電流轉換器、單神經元自適應PID控制器、PWM脈寬調制器和換相邏輯信號產生器等。本發(fā)明采用非線性變換在線修正方法，基于單神經元自適應PID控制算法并以FPGA模塊為控制核心構成微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)，采用力矩模式實現(xiàn)了微小衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機構的高精度力矩輸出，其特點是算法簡單易于實現(xiàn)、響應速度快，系統(tǒng)功耗低、可靠性高、設計靈活，提高了微小飛輪功率密度、減小了微小飛輪的質量和體積并降低了成本，特別適合于微小衛(wèi)星。
文檔編號H02P6/14GK102437802SQ201110316528
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權日2011年10月18日
發(fā)明者劉剛, 張聰, 李光軍 申請人:北京航空航天大學