一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，可作为飞轮、控制力矩陀螺等空间执行结构的高精度稳速控制系统，其包括：F‑V转换模块、PI控制模块、PWM信号产生模块、三相功率驱动模块、电机、转速脉冲产生模块。本发明专利技术可实现飞轮转子的稳速控制，6000rpm稳速时的转速闭环控制精度可达到±1rpm。本发明专利技术的电路装置通过模拟器件实现，不需要任何数字芯片，电路简单可靠，成本低，易于实现，抗辐照能力强。

A Flywheel Steady Speed Control System Based on Frequency-Voltage Conversion

The invention discloses a flywheel speed stabilization control system based on frequency-voltage conversion, which can be used as a high-precision speed stabilization control system of spatial execution structures such as flywheel and control moment gyroscope. It includes: F V conversion module, PI control module, PWM signal generation module, three-phase power drive module, motor, speed pulse generation module. The invention can realize the stable speed control of the flywheel rotor, and the closed-loop speed control precision of 6000 rpm at stable speed can reach +1 rpm. The circuit device of the invention is realized by analog devices, does not need any digital chip, and has simple and reliable circuit, low cost, easy realization and strong radiation resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统
本专利技术涉及飞轮高速无刷直流电机稳速控制系统，适用于卫星长寿命、高精度姿态控制系统空间执行机构的运行控制。
技术介绍
飞轮及控制力矩陀螺内转子作为航天器的执行部件，其高精度高稳定度控制一直以来是关键技术难点。飞轮内部采用无刷直流电机作为驱动组件，性能稳定，相比光电码盘，成本低，可靠性高，被广泛用于空间执行机构的驱动组件中。航天器姿态控制系统工作时，根据姿控调整的需要，向飞轮发送系统指令，飞轮执行相应的指令，进行加减速或稳速运行，向航天器提供合适的控制力矩及角动量，对航天器的姿态偏差进行矫正，实现航天器姿态的稳定控制。随着航天器寿命的要求越来越高，要求飞轮的寿命和可靠性也越来越高。目前，对飞轮进行加减速和稳速控制的电路装置，普遍采用数字芯片，如DSP、FPGA等实现，在卫星等航天器领域，高抗辐照数字芯片的成本较高，在轨运行时，失效率较高，对飞轮进行高精度稳速控制时，需要复杂的控制算法，这更进一步增加了系统的复杂度，同时也不利于可靠性的提高。基于光电码盘的飞轮转速控制，可以获得较高的转速控制精度，但光电码盘及其数字控制电路也同样较为复杂，不利于产品的高可靠性、低成本、小型化的实现。飞轮内部采用模拟器件构成控制电路组件，对飞轮内部无刷直流电机进行控制。采用基于F-V转换的稳速控制方法，降低了产品成本，提高了产品的整体抗辐照能力，减小了产品体积。飞轮在6000rpm下的稳速控制精度可达到±1rpm，可以满足航天器姿态调整的需要。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：针对现有飞轮稳速控制系统使用数字芯片及光电码盘复杂度高、可靠性低、成本高的不足，提出了一种采用F-V转换芯片实现飞轮转速闭环控制的系统方案及电路装置，具有可靠性高、成本低、体积小的特点。为了实现以上目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特点是，包括：频率电压转换模块、PI控制模块、PWM信号产生模块、三相功率驱动模块、电机、转速脉冲产生模块；所述的频率电压转换模块用于对转速脉冲信号Fs进行频率电压转换，产生与转速脉冲信号Fs成正比的电压信号Vfs，Vfs与转速指令电压Vd比较后，将偏差ΔVi送至PI控制模块，进行运算处理后生成输出电压信号Vo，电压信号Vo与飞轮转速脉冲信号Fs成正比，输出电压信号Vo送至PWM信号产生模块，进行运算处理后，得到脉宽与飞轮转速控制偏差大小成正比的PWM信号，该PWM信号送至三相功率驱动模块，并直接驱动飞轮电机的加减速运行，所述飞轮电机工作时，其内部的霍尔传感器输出三路相位相差120°、占空比50％的霍尔脉冲信号PHA、PHB、PHC，三路信号送至转速脉冲产生模块，经过逻辑处理后，产生飞轮转速脉冲信号Fs。所述的频率电压转换模块包括JK触发器U1A、JK触发器U1B、频率电压转换芯片U2及其外围电路；其中JK触发器U1A的第1脚信号CD与U1B的第10脚信号/Q相连，U1A的第2脚信号J与U1A的第7脚信号/Q相连，U1A的第3脚信号K与U1A的第5脚信号SD、U1B的第13脚信号K、U1B的第15脚信号CD、U1B的第11脚信号SD相连，并连接至正电源端+15V，U1A的第4脚连接飞轮转速脉冲信号Fs，U1A的第6脚信号Q连接至U1B的第14脚信号J，U1A的第9脚信号Q连接至U2的第14脚信号COMP-，U1B的第12脚连接外部时钟信号Fclk；频率电压转换芯片U2的第1脚为正电源+Vs输入端，其外部电阻R5及电容C4同时相连，电阻R5用于对正电源输入限流，电阻R5的另一端连接至+15V电源，C4为旁路电容，C4的另一端连接至地GND；U2的第2脚、第3脚、第7脚、第9脚、第11脚、第16脚均空置，U2的第4脚为器件内部运放的输出端OPout，其与电阻R3、R4、电容C2同时相连，电阻R4的另一端为电压信号Vfs，该电压信号Vfs为频率电压转换后输出的与转速脉冲信号Fs频率成正比的输出电压；电容C2的另一端与电阻R3的另一端相连，并连接至U2的第5脚OP-上，该第5脚OP-为器件U2内部运放的反相输入端，电容C2用于滤除输出端的高频干扰信号，电阻R3实现器件内部运放的负反馈连接，U2的第6脚OP+为器件U2内部运放的正相输入端，其连接至地GND，U2的第8脚为器件负电源输入端-Vs，其与电阻R2、电容C1同时相连，电容C1的另一端连接至地GND，其为负电源端的旁路电容，电阻R2的另一端与负电源相连，用于负电源端限流，U2的第10脚CLKin连接外部时钟输入信号Fclk，第12脚DGND、第13脚AGND连接地GND，U2的第15脚COMP+与电阻R1和二极管V1的正端相连，电阻R1的另一端连接正电源，二极管V1的负端与二极管的正端相连，二极管V2的负端连接地GND。所述的PI控制模块由运放U3及其外围电路组成，运放U3的第1脚为反相输入端，其与电阻R6、电阻R7、电阻R8同时相连，电阻R6的另一端连接F-V转换模块输出的与转速频率成正比的输出电压信号Vfs，电阻R7的另一端与电容C5相连，电容C5的另一端与电阻R8的另一端相连，并与运放U3的第3脚输出端、电阻R13同时相连，电阻R13的另一端与稳压二极管V4的负端、稳压二极管V5的正端、电阻R14同时相连，稳压二极管V4的正端、稳压二极管V5的负端连接地GND，电阻R14的另一端连接至PWM信号产生模块，该点为PI控制模块的最终输出信号Vo，运放U3的第2脚为正相输入端，其与电阻R9、电阻R10、二极管V3的负端同时相连，电阻R9的另一端连接转速指令电压Vd，电阻R10的另一端连接地GND，二极管V3的正端与电阻R11、电阻R12同时相连，电阻R11的另一端连接至正电源端，电阻R12的另一端连接地GND。所述的PWM信号产生模块包括NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、PNP三极管Q3及其外围器件；所述三极管Q1的基极与三极管Q2的基极、电容C6同时相连，该点连接PI控制模块的输出信号Vo；电容C6的另一端连接地GND，三极管Q1的集电极与电阻R16相连，电阻R16的另一端与电阻R15、三极管Q3的基极同时相连，电阻R15的另一端与三极管Q3的发射极相连，并连接至正电源端，三极管Q3的集电极与电阻R18相连，电阻R18的另一端与电阻R19相连，电阻R19的另一端连接地GND，电阻R18和电阻R19的连接点为输出信号PWM波，三极管Q1的发射极与二极管V6的正端相连，二极管V6的负端与二极管V7的正端相连，V6与V7的连接点连接外部三角波信号Vt，二极管V7的负端与三极管Q2的发射极相连，三极管Q2的集电极与电阻R17相连，电阻R17的另一端连接负电源端。所述的三相功率驱动模块包括与门U4A、与门U4B、与门U4C，NPN三极管Q4、NPN三极管Q6、NPN三极管Q8、PNP三极管Q5、PNP三极管Q7、PNP三极管Q9及N沟道场效应管VTA、N沟道场效应管VTB、N沟道场效应管VTC及其外围器件；所述与门U4A的第1脚与与门U4B的第4脚、与门U4C的第7脚相连，并同时连接PWM信号产生模块输出的PWM信号，与门U4A的第2脚连接逻辑换相信号GA，与门U4A的第3脚与电阻R2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特征在于，包括：频率电压转换模块、PI控制模块、PWM信号产生模块、三相功率驱动模块、电机、转速脉冲产生模块；所述的频率电压转换模块用于对转速脉冲信号Fs进行频率电压转换，产生与转速脉冲信号Fs成正比的电压信号Vfs，Vfs与转速指令电压Vd比较后，将偏差ΔVi送至PI控制模块，进行运算处理后生成输出电压信号Vo，电压信号Vo与飞轮转速脉冲信号Fs成正比，输出电压信号Vo送至PWM信号产生模块，进行运算处理后，得到脉宽与飞轮转速控制偏差大小成正比的PWM信号，该PWM信号送至三相功率驱动模块，并直接驱动飞轮电机的加减速运行，所述飞轮电机工作时，其内部的霍尔传感器输出三路相位相差120°、占空比50％的霍尔脉冲信号PHA、PHB、PHC，三路信号送至转速脉冲产生模块，经过逻辑处理后，产生飞轮转速脉冲信号Fs。

【技术特征摘要】
1.一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特征在于，包括：频率电压转换模块、PI控制模块、PWM信号产生模块、三相功率驱动模块、电机、转速脉冲产生模块；所述的频率电压转换模块用于对转速脉冲信号Fs进行频率电压转换，产生与转速脉冲信号Fs成正比的电压信号Vfs，Vfs与转速指令电压Vd比较后，将偏差ΔVi送至PI控制模块，进行运算处理后生成输出电压信号Vo，电压信号Vo与飞轮转速脉冲信号Fs成正比，输出电压信号Vo送至PWM信号产生模块，进行运算处理后，得到脉宽与飞轮转速控制偏差大小成正比的PWM信号，该PWM信号送至三相功率驱动模块，并直接驱动飞轮电机的加减速运行，所述飞轮电机工作时，其内部的霍尔传感器输出三路相位相差120°、占空比50％的霍尔脉冲信号PHA、PHB、PHC，三路信号送至转速脉冲产生模块，经过逻辑处理后，产生飞轮转速脉冲信号Fs。2.如权利要求1所述的基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特征在于，所述的频率电压转换模块包括JK触发器U1A、JK触发器U1B、频率电压转换芯片U2及其外围电路；其中JK触发器U1A的第1脚信号CD与U1B的第10脚信号/Q相连，U1A的第2脚信号J与U1A的第7脚信号/Q相连，U1A的第3脚信号K与U1A的第5脚信号SD、U1B的第13脚信号K、U1B的第15脚信号CD、U1B的第11脚信号SD相连，并连接至正电源端+15V，U1A的第4脚连接飞轮转速脉冲信号Fs，U1A的第6脚信号Q连接至U1B的第14脚信号J，U1A的第9脚信号Q连接至U2的第14脚信号COMP-，U1B的第12脚连接外部时钟信号Fclk；频率电压转换芯片U2的第1脚为正电源+Vs输入端，其外部电阻R5及电容C4同时相连，电阻R5用于对正电源输入限流，电阻R5的另一端连接至+15V电源，C4为旁路电容，C4的另一端连接至地GND；U2的第2脚、第3脚、第7脚、第9脚、第11脚、第16脚均空置，U2的第4脚为器件内部运放的输出端OPout，其与电阻R3、R4、电容C2同时相连，电阻R4的另一端为电压信号Vfs，该电压信号Vfs为频率电压转换后输出的与转速脉冲信号Fs频率成正比的输出电压；电容C2的另一端与电阻R3的另一端相连，并连接至U2的第5脚OP-上，该第5脚OP-为器件U2内部运放的反相输入端，电容C2用于滤除输出端的高频干扰信号，电阻R3实现器件内部运放的负反馈连接，U2的第6脚OP+为器件U2内部运放的正相输入端，其连接至地GND，U2的第8脚为器件负电源输入端-Vs，其与电阻R2、电容C1同时相连，电容C1的另一端连接至地GND，其为负电源端的旁路电容，电阻R2的另一端与负电源相连，用于负电源端限流，U2的第10脚CLKin连接外部时钟输入信号Fclk，第12脚DGND、第13脚AGND连接地GND，U2的第15脚COMP+与电阻R1和二极管V1的正端相连，电阻R1的另一端连接正电源，二极管V1的负端与二极管的正端相连，二极管V2的负端连接地GND。3.如权利要求1所述的基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特征在于，所述的PI控制模块由运放U3及其外围电路组成，运放U3的第1脚为反相输入端，其与电阻R6、电阻R7、电阻R8同时相连，电阻R6的另一端连接F-V转换模块输出的与转速频率成正比的输出电压信号Vfs，电阻R7的另一端与电容C5相连，电容C5的另一端与电阻R8的另一端相连，并与运放U3的第3脚输出端、电阻R13同时相连，电阻R13的另一端与稳压二极管V4的负端、稳压二极管V5的正端、电阻R14同时相连，稳压二极管V4的正端、稳压二极管V5的负端连接地GND，电阻R14的另一端连接至PWM信号产生模块，该点为PI控制模块的最终输出信号Vo，运放U3的第2脚为正相输入端，其与电阻R9、电阻R10、二极管V3的负端同时相连，电阻R9的另一端连接转速指令电压Vd，电阻R10的另一端连接地GND，二极管V3的正端与电阻R11、电阻R12同时相连，电阻R11的另一端连接至正电源端，电阻R12的另一端连接地GND。4.如权利要求1所述的基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特征在于，所述的PWM信号产生模块包括NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、PNP三极管Q3及其外围器件；所述三极管Q1的基极与三极管Q2的基极、电容C6同时相连，该点连接PI控制模块的输出信号Vo；电容C6的另一端连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐敬勃，谭学谦，吴珍，姜宁翔，陈晓霞，邵若薇，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31