一种集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，包括控制电路、采集电路和通讯接口，控制电路包括ＦＰＧＡ模块，ＤＳＰ模块等；采集电路包括电流、位移传感器接口电路，双框架转速／位置接口电路，Ａ／Ｄ模块，Ｄ／Ａ模块；通讯接口包括ＵＳＢ接口，ＲＳ２３２，及ＳＰＩ接口，系统的控制电路接收采集电路处理的陀螺转子信号，控制其稳定悬浮，把控制量通过通讯接口传送到上位机，在上位机控制下，实现对陀螺转子悬浮情况的在线监测和数据采集，并且对控制参数在线修改。本发明专利技术能有效通讯高精度控制时所需的内框架、外框架转动信号，实现了控制系统与测控系统的集成化设计，满足数据采集和在线监控的速度和精度要求。
【技术实现步骤摘要】
一种集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，用'于双框架磁悬浮控制力' 矩陀螺转子的高精度悬浮控制，能够实现与框架控制系统之间进行快速、无干扰的信号 传输，将控制参数进行高速数据采集和在线监控，并且在线修改关键变量值，适用于高 精度、高集成度的伺服机构控制系统。
技术介绍
控制力矩陀螺(Control Moment Gyrosc叩e, CMG)是一类用于航天器姿态控制的 执行机构。相比传统的喷气推力器、动量轮等姿态控制机构，控制力矩陀螺具有控制范 围大、精度高、输出力矩大、只需要电能即可工作等显著优点，因此被应用于空间站等 大型航天器。双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Double Gimbal Magnetic Suspended CMG， DGMSCMG)具有磁悬浮的无接触、无摩擦、无需润滑、高精度、转子转速高、长寿命等 优点。而且双框架控制力矩陀螺相对单框架力矩陀螺可以绕2个框架轴旋转，，增加了运 动自由度，进入奇异状态(即无法产生输出力矩的框架角组合)的可能性大大降低，简化 了控制律的设计，是航天器执行机构的一个重要的发展方向。现有的磁轴承控制系统缺乏与框架控制系统之间的通讯接口，模块单一，功能不全 面。磁轴承为有间隙的弹性支承方式，CMG的框架转动时，对于陀螺转子的作用等效于 一个广义扰动力矩，转子径向位移将显著增大，不仅威胁磁悬浮系统稳定，且降低了输 出力矩的精度。DGMSCMG有两个框架转动，其耦合程度加剧，对磁轴承而言多了一个扰 动，更需要将框架转动的位置和速度值传送给磁轴承控制系统，使磁轴承控制器能够根 据框架运动进行预先补偿。降时，框架控制系统和磁轴承控制系统是两套不同的数字电 路和模拟电路相结合的系统，必须设计可靠的通讯接口，保证两者之间不会产生信号干 扰，保持框架信号的完整性。现有的磁轴承控制系统没有集成数据釆集和在线监控功能，若需要实现数据采集和 在线监控功能，需要添置外部的数据采集器，进行模数转换之后进入上位机。其体积庞 大、造价昂贵且使用不便，不利于设备实验和现场调试。磁轴承控制系统所关心的位移 和电流值有对应的阈值，只要求在此范围内的高精度；而外部数据采集器是通用型的， 为适应各种测试环境，对应的模数转换范围比较宽，浪费采集通道的精度资源，即产生了对数据采集做优化配置的需求。此外，外部数据采集器不能记录控制器运算过程中的 数字量，而这些控制量结合陀螺转子运动状态的分析将有利于改进控制器，提高控制器 的性能指标。在线修改关键控制变量值是设计控制系统的重要环节，其作用在于能根据当前磁轴 承的工作状态，及时调整和修改基本控制器的控制参数、交叉反馈通道的比例系数，更 加方便实验含有不同控制参数的控制器，同时灵活的调试增强了磁轴承的稳定性。现有 的控制系统没有提出一整套对控制过程中的参数进行在线调试和修改的解决方案。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有的磁轴承控制系统、数据采集系统和在线监控 相分离以及内外框架转动时轴承稳定性变差的缺点，提供一种集控制、通讯、数据采集 和在线监控于一体的高速、高精度双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统。本专利技术的技术解决方案是 一种集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系 统，由控制电路、采集电路和通讯接口、上位机构成，其中，控制电路包括DSP楱块、 FPGA模块、Flash、 SRAM、转速测量模块和晶振；采集电路包括D/A模块、A/D模块、 双框架转速/位置接口电路、位移传感器接口电路和电流传感器接口电路；通讯接口包 括USB接口、 RS232和SPI接口在控制电路中FPGA模块接收A/D模块的电流值、位移值、内外两个框架各自的转 速和位置值，通过总线与DSP模块连接，交换控制过程中上述各数据量；接收转速测量 模块对霍尔传感器传送的转速信号经过滤波整形后的转速值，同时向D/A模块发送磁轴 承的控制量；FPGA模块与FLASH和SRAM之间通过数据和地址总线连接，交换需要存储 的数据；FPGA模块接收由DSP模块对晶振倍频后的时钟信号，并提供时钟源给A/D模块； DSP模块根据FPGA模块送来的电流值、位移值、转速值、内外两个框架各自的转速和位 置值，分别采用基本控制算法、交叉反馈算法和前馈控制算法计算总控制量，并传回给 FPGA模块，同时根据需要在线修改上述各控制算法中的参数；FPGA模块根据总控制量 输出控制电压的PWM信号，驱动功放模块产生控制电流，实现陀螺转子稳定悬浮；在采集电路中A/D模块接收电流传感器接口电路调理的电流值，接收位移传感器 接口电路调理的位移值，接收双框架转速/位置接口电路调理的内外两个框架各自的位 置和转速值；D/A模块接收FPGA模块发送的陀螺转子信息，并发送给框架控制系统；在通讯接口中USB接口和RS232与FPGA模块通过双向工作的总线实现与上位机之 间的数据交换；SPI接口在DSP模块控制下向框架控制系统发送陀螺转子的转动信息， 并接收补偿内外两个框架不平衡振动各自的控制量。所述的DSP模块首先根据位移参考中心值及电流参考值求取位移偏移值；电流偏差 值，调用基本控制算法计算基本控制量；根据转速值调用交叉反馈算法计算交叉反馈量； 根据内外两个框架各自的速度、位置值采用前馈控制算法对框架转动引起的转子位移跳 动量计算前馈补偿量；将基本控制量、交叉反馈量和前馈补偿量合成为总控制量，并做 限幅处理，再传回给FPGA模块；同时根据上位机的需要在线修改控制算法中,的参数。所述的集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统与框架控制系统之间采 取两套通讯回路FPGA模块利用D/A模块发送和A/D模块接收的功能，通讯已转成模拟 量的磁轴承位移量与内外两个框架位置、转速值；SPI接口连接DSP模块的SPI同步串 口，采用RS422差分传输协议，与框架控制系统之间传送数字的控制量，实现系统数字 通讯接口的扩展和对外界噪声的隔离功能。所述的上位机以串行方式接收由FPGA模块、USB模块构成的数据采集部分发送来的 磁轴承位移值、电流值和总控制量，采用普通的串口调试工具即可实现在线监测和采集 功能；上位机对DSP模块中需要修改的算法参数编写地址，形成串口通讯协议，通过RS232 采用串口方式查询与修改控制参数，包括基本控制器中的比例、积分和微分量，以及交 叉反馈算法中低通和高通截止频率与交叉反馈比例系数。所述的DSP模块、FPGA模块和A/D模块只用一个固定的晶振做外部时钟源，其中， DSP模块内部的锁相环将外部时钟倍频后输出成为系统时钟，提供给FPGA模块成为其时 钟源，A/D模块的时钟源再由FPGA模块时钟分频得到。本专利技术的原理是本专利技术控制系统通过控制电路、采集电路实现了基本控制功能。 如说明书附图2，为本专利技术控制系统的原理框图。FPGA模块和DSP模块构成的控制电路 为核心部分。FPGA模块接收A/D模块的电流值、位移值和框架转速/位置值，通过总线 与DSP模块连接，交换控制过程中各数据量；接收转速测量模块对霍尔传感器传来的转 速信号滤波整形之后的数据，同时向D/A模块发送磁轴承的控制量；FPGA模块与FLASH 和SRAM之间通过数据和地址总线连接，交换需要存储的数据。DSP模块中根据位移值和 电流值本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，其特征在于：由控制电路（３）、采集电路（４）和通讯接口（２）、上位机（１）构成，其中，控制电路（３）包括ＤＳＰ模块（３１）、ＦＰＧＡ模块（３２）、Ｆｌａｓｈ（３３）、ＳＲＡＭ（３４）、转速测量模块（３５）和晶振（３６）；采集电路（４）包括Ｄ／Ａ模块（４１）、Ａ／Ｄ模块（４２）、双框架转速／位置接口电路（４３）、位移传感器接口电路（４４）和电流传感器接口电路（４５）；通讯接口（２）包括ＵＳＢ接口（２１）、ＲＳ２３２（２２）和ＳＰＩ接口（２３）： （ａ）在控制电路（３）中：ＦＰＧＡ模块（３２）接收Ａ／Ｄ模块（４２）的电流值、位移值、内外两个框架各自的转速和位置值，通过总线与ＤＳＰ模块（３１）连接，交换控制过程中上述各数据量；接收转速测量模块（３５）对霍尔传感器 （９）传送的转速信号经过滤波整形后的转速值，同时向Ｄ／Ａ模块（４１）发送磁轴承的控制量；ＦＰＧＡ模块（３２）与ＦＬＡＳＨ（３３）和ＳＲＡＭ（３４）之间通过数据和地址总线连接，交换需要存储的数据；ＦＰＧＡ模块（３２）接收由ＤＳＰ模块（３１）对晶振（３６）倍频后的时钟信号，并提供时钟源给Ａ／Ｄ模块（４２）；ＤＳＰ模块（３１）根据ＦＰＧＡ模块（３２）送来的电流值、位移值、转速值、内外两个框架各自的转速和位置值，分别采用基本控制算法、交叉反馈算法和前馈控制算法计算总控制量，并传回给ＦＰＧＡ模块（３２），同时根据需要在线修改上述各控制算法中的参数；ＦＰＧＡ模块（３２）根据总控制量输出ＰＷＭ信号，驱动功放模块（１２）产生控制电流，实现陀螺转子（８）稳定悬浮； （ｂ）在采集电路（４）中：Ａ／Ｄ模块（４２）接收电流传感器 接口电路（４５）调理的电流值，接收位移传感器接口电路（４４）调理的位移值，接收双框架转速／位置接口电路（４３）调理的内外两个框架各自的位置和转速值；Ｄ／Ａ模块（４１）接收ＦＰＧＡ模块（３２）发送的陀螺转子（８）信息，并发送给框架控制系统（５）； （ｃ）在通讯接口（２）中：ＵＳＢ接口（２１）和ＲＳ２３２（２２）与ＦＰＧＡ模块（３２）通过双向工作的总线实现与上位机（１）之间的数据交换；ＳＰＩ接口（２３）在ＤＳＰ模块（３１）控制下向框架控制系统（５）发送陀螺转子（８）的转动信 息，并接收补偿内外两个框架不平衡振动各自的控制量。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，王英广，丁力，郑世强，陈冬，王灿，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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