一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统及控制方法技术方案

一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统及控制方法属于飞轮控制技术领域，目的在于解决抗空间环境能力差、功耗高、成本高以及可靠性低的问题。本发明专利技术的母线电压采集模块采集飞轮母线电压，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；飞轮电机温度采集模块和飞轮连接采集飞轮本体温度，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；霍尔传感器和飞轮电机连接获取飞轮电机的电机速度和换向状态并输送至FPGA模块，经FPGA模块计算获得电流指令信号；电流传感器和飞轮电机连接获取飞轮转子电流，经运算放大器送入A/D转换器，得到飞轮转子电流的数字量，输送至FPGA模块，FPGA模块根据电流指令信号和飞轮转子电流计算输出PWM信号至电流功率驱动，电流功率驱动根据PWM信号驱动飞轮电机转动。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统及控制方法
本专利技术属于飞轮控制
，具体涉及一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统及控制方法，用于无刷直流电机的高集成度控制。
技术介绍
飞轮是卫星姿态控制系统的执行机构，随着小卫星技术的发展，对姿态执行机构提高了要求，要求其执行机构质量轻、成本低、控制简单、体积小、功耗低、精度高。提高小卫星飞轮的高集成度、高精度则作为现代小卫星执行机构的重要技术指标。目前小卫星飞轮常采用DSP或微控制器作为核心控制器件，主要表现在：DSP或微控制器多集成浮点运算单元，方便控制算法的实现。但DSP或微控制器程序多在SRAM中运行，抗空间环境能力差、功耗高，而航天级DSP成本高，使整个飞轮系统增加了功耗、成本。这并不符合现代小卫星低成本、低功耗、高可靠性的特点。随着基于FLASH的FPGA的出现，通过在FPGA中实现单精度浮点运算，结合FPGA固有的并行运算能力和接口扩展能力，则显示出巨大的优势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统及控制方法，解决现有技术存在的抗空间环境能力差、功耗高、成本高以及可靠性低的问题，实现对飞轮电机的高集成度、高精度的控制。为实现上述目的，本专利技术的一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统包括霍尔传感器、电流传感器、运算放大器、A/D转换器、母线电压采集模块、飞轮电机温度采集模块、FPGA模块、电机功率驱动模块、电源模块、星务计算机以及PC机实时显示模块；所述FPGA模块通过CAN总线和星务计算机连接，通过RS422和PC机实时显示模块连接；所述电源模块和控制系统整体连接供电；所述母线电压采集模块和母线电压连接采集飞轮母线电压，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；所述飞轮电机温度采集模块和飞轮连接采集飞轮本体温度，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；霍尔传感器和飞轮电机连接获取飞轮电机的电机速度和换向状态并输送至FPGA模块，经FPGA模块计算获得电流指令信号；所述电流传感器和飞轮电机连接获取飞轮转子电流，经运算放大器送入A/D转换器，得到飞轮转子电流的数字量，输送至FPGA模块，FPGA模块根据电流指令信号和飞轮转子电流计算输出PWM信号至电流功率驱动，电流功率驱动根据PWM信号驱动飞轮电机转动。所述电源模块包括第一电源模块、第二电源模块和第三电源模块；第一电源模块向飞轮电机功率驱动模块提供功率电；第二电源模块向电流传感器、运算放大器、A/D转换器、母线电压采集模块和飞轮电机温度采集模块提供模拟电；第三电源模块向霍尔传感器、CAN/RS422通讯和FPGA模块提供数字电。对功率电、模拟电和数字电通过磁珠隔离。所述FPGA模块选用flash型的FPGA。一种基于FPGA的小卫星飞轮控制方法包括以下步骤：步骤一：在FPGA模块内编辑运算语言，获得速度闭环运算单元和电流闭环运算单元；步骤二：实时采集飞轮电机相关参数，具体为：电流传感器采集飞轮电机运转过程中飞轮转子电流，经过运算放大器送入A/D转换器，得到飞轮转子电流的数字量，作为电流反馈值，并送至FPGA模块；霍尔传感器采集电机转子位置信息和电机转速，根据霍尔位置决定飞轮电机的换向逻辑，将电机转速作为速度反馈值，送入FPGA模块速度闭环运算单元；母线电压采集模块实时采集飞轮电机运转过程中的飞轮母线电压，通过FPGA模块送入星务计算机进行判断，若母线电压超过警戒值，则对飞轮进行重启操作；飞轮电机温度采集模块实时采集飞轮电机运转过程中的飞轮本体温度，通过FPGA送入星务计算机进行判断，若飞轮温度超过警戒值，则对飞轮进行重启操作。步骤三：FPGA模块中速度闭环运算单元根据步骤二中获得的速度反馈值以及在星务计算机上设定的速度设置值进行滤波和PI计算，输出电流指令信号；若是电流闭环控制，电流设置值由星务计算机给出；若是电流环+速度环控制，电流设置值为上述电流指令信号；步骤四：FPGA模块中电流闭环运算单元根据电流反馈值以及电流设置值进行滤波和PI计算，输出PWM信号至电机功率驱动模块；步骤五：电机功率驱动模块根据PWM信号控制飞轮电机转动。步骤一所述的编辑运算语言具体为：在FPGA内运用VerilogHDL语言编写单精度浮点数加、减、乘、除运算；在FPGA内运用VerilogHDL语言编写整数转单精度浮点数、单精度浮点数转整数转换方式；在FPGA内运用VerilogHDL语言编写低通滤波器算法；在FPGA内运用VerilogHDL语言编写PI闭环算法。本专利技术的有益效果为：本专利技术的控制系统中所有模块均在一块电路板实现，具有尺寸小、质量轻的特点，并且所有模块的控制和算法均在一片FPGA内进行，具有高集成度、低成本的特点，最终实现系统的高集成度控制。本专利技术的控制器算法在FPGA内采用单精度浮点数运算，浮点数运算模块包括：加、减、乘、除、整数转浮点数、浮点数转整数，具有电流环、速度环算法并行运算能力，优化算法的效率和控制周期，实现系统的高精度控制。抗空间环境能力强、功耗小、成本低、可靠性高。附图说明图1为本专利技术的一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统结构示意图；图2为本专利技术的一种基于FPGA的小卫星飞轮控制方法原理图；图3为基于FPGA的小卫星飞轮控制方法的单精度浮点数格式框图；图4为基于FPGA的小卫星飞轮控制方法的浮点数加减法原理框图；图5为基于FPGA的小卫星飞轮控制方法的浮点数乘法原理框图；图6为基于FPGA的小卫星飞轮控制方法的浮点数除法原理框图；图7为基于FPGA的小卫星飞轮控制方法的流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施方式作进一步说明。参见附图1，本专利技术的一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统包括霍尔传感器、电流传感器、运算放大器、A/D转换器、母线电压采集模块、飞轮电机温度采集模块、FPGA模块、电机功率驱动模块、电源模块、星务计算机以及PC机实时显示模块；所述FPGA模块通过CAN总线和星务计算机连接，通过RS422和PC机实时显示模块连接；所述电源模块和控制系统整体连接供电；所述母线电压采集模块和母线电压连接采集飞轮母线电压，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；所述飞轮电机温度采集模块和飞轮连接采集飞轮本体温度，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；霍尔传感器和飞轮电机连接获取飞轮电机的电机速度和换向状态并输送至FPGA模块，经FPGA模块计算获得电流指令信号；所述电流传感器和飞轮电机连接获取飞轮转子电流，经运算放大器送入A/D转换器，得到飞轮转子电流的数字量，输送至FPGA模块，FPGA模块根据电流指令信号和飞轮转子电流计算输出PWM信号至电流功率驱动，电流功率驱动根据PWM信号驱动飞轮电机转动。母线电压与电源模块相连，所述电源模块包括第一电源模块、第二电源模块和第三电源模块；第一电源模块向飞轮电机功率驱动模块提供+28V的功率电；第二电源模块向电流传感器、运算放大器、A/D转换器、母线电压采集模块和飞轮电机温度采集模块提供+5V的模拟电；第三电源模块向霍尔传感器、CAN/RS422通讯和FPGA模块提供+3.3V和+1.5V的数字电。对功率电、模拟电和数字电通过磁珠隔离。所述FPGA模块选用flash型的FPGA。母线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统，其特征在于，包括霍尔传感器、电流传感器、运算放大器、A/D转换器、母线电压采集模块、飞轮电机温度采集模块、FPGA模块、电机功率驱动模块、电源模块、星务计算机以及PC机实时显示模块；所述FPGA模块通过CAN总线和星务计算机连接，通过RS422和PC机实时显示模块连接；所述电源模块和控制系统整体连接供电；所述母线电压采集模块和母线电压连接采集飞轮母线电压，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；所述飞轮电机温度采集模块和飞轮连接采集飞轮本体温度，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；霍尔传感器和飞轮电机连接获取飞轮电机的电机速度和换向状态并输送至FPGA模块，经FPGA模块计算获得电流指令信号；所述电流传感器和飞轮电机连接获取飞轮转子电流，经运算放大器送入A/D转换器，得到飞轮转子电流的数字量，输送至FPGA模块，FPGA模块根据电流指令信号和飞轮转子电流计算输出PWM信号至电流功率驱动，电流功率驱动根据PWM信号驱动飞轮电机转动。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统，其特征在于，包括霍尔传感器、电流传感器、运算放大器、A/D转换器、母线电压采集模块、飞轮电机温度采集模块、FPGA模块、电机功率驱动模块、电源模块、星务计算机以及PC机实时显示模块；所述FPGA模块通过CAN总线和星务计算机连接，通过RS422和PC机实时显示模块连接；所述电源模块和控制系统整体连接供电；所述母线电压采集模块和母线电压连接采集飞轮母线电压，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；所述飞轮电机温度采集模块和飞轮连接采集飞轮本体温度，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；霍尔传感器和飞轮电机连接获取飞轮电机的电机速度和换向状态并输送至FPGA模块，经FPGA模块计算获得电流指令信号；所述电流传感器和飞轮电机连接获取飞轮转子电流，经运算放大器送入A/D转换器，得到飞轮转子电流的数字量，输送至FPGA模块，FPGA模块根据电流指令信号和飞轮转子电流计算输出PWM信号至电流功率驱动，电流功率驱动根据PWM信号驱动飞轮电机转动。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统，其特征在于，所述电源模块包括第一电源模块、第二电源模块和第三电源模块；第一电源模块向飞轮电机功率驱动模块提供功率电；第二电源模块向电流传感器、运算放大器、A/D转换器、母线电压采集模块和飞轮电机温度采集模块提供模拟电；第三电源模块向霍尔传感器、CAN/RS422通讯和FPGA模块提供数字电。3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统，其特征在于，功率电、模拟电和数字电通过磁珠隔离。4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统，其特征在于，所述FPGA模块选用flash型的FPGA。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基...

【专利技术属性】
技术研发人员：房晓伟，陈茂胜，孔令波，孙金傲，曲云昭，冯猛，
申请(专利权)人：长光卫星技术有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林,22