高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置制造方法
【專利摘要】高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置，應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該裝置從控制器FPGA通過兩框架位置采集電路分別實(shí)時采集兩框架電機(jī)的框架角位置信號，通過兩霍爾信號采集電路分別實(shí)時采集兩飛輪電機(jī)的角速度信號，并通過地址/數(shù)據(jù)/控制總線送至主控制器DSP作為各自的速度反饋值；主控制器DSP通過兩U/V相電流采集電路和兩母線電流采集電路分別采集兩框架電機(jī)、兩飛輪電機(jī)的電流值，作為各自的電流反饋值；主控制器DSP根據(jù)各自的速度、電流反饋值，結(jié)合相應(yīng)的伺服控制算法，對四臺套電機(jī)進(jìn)行速度、電流的雙環(huán)閉環(huán)控制，產(chǎn)生PWM指令，從控制器FPGA根據(jù)指令產(chǎn)生PWM，實(shí)現(xiàn)對四臺套電機(jī)高精度伺服控制。
【專利說明】高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置，用于兩臺套控制力 矩陀螺的伺服控制，適用于高集成度、高精度的中小型敏捷衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 控制力矩陀螺作為中小型敏捷衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用其"力矩放大"特 點(diǎn)，可在同等功耗、體積和質(zhì)量下，輸出數(shù)十倍于傳統(tǒng)飛輪的力矩，極大地縮短了衛(wèi)星機(jī) 動時間，實(shí)現(xiàn)單軌內(nèi)對寬幅目標(biāo)多次推掃、拼接成像。控制力矩陀螺已成功地應(yīng)用于 WorldView-1/2和Pleiades衛(wèi)星中，極大地增強(qiáng)了衛(wèi)星機(jī)動能力，提高了衛(wèi)星的敏捷性。
[0003] 控制力矩陀螺的伺服控制包括框架電機(jī)和飛輪電機(jī)兩部分的伺服控制，其中框架 電機(jī)伺服控制為使框架機(jī)構(gòu)具有高精度動態(tài)速度跟蹤特性，飛輪電機(jī)伺服控制為使飛輪轉(zhuǎn) 子具有高精度穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速特性，盡可能保持飛輪角動量值恒定?？刂屏赝勇莸妮敵隽氐?于框架角速度矢量與飛輪角動量矢量的叉積，即框架電機(jī)和飛輪電機(jī)的伺服控制直接決定 控制力矩陀螺輸出力矩特性。
[0004] 控制力矩陀螺的伺服控制常單獨(dú)分為框架電機(jī)和飛輪電機(jī)伺服控制，即框架電 機(jī)、飛輪電機(jī)基于各自的電路系統(tǒng)進(jìn)行伺服控制，這樣將增加整個控制力矩陀螺伺服系統(tǒng) 的功耗、體積、質(zhì)量和費(fèi)用，系統(tǒng)的集成度較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種高集成度、高精度、體積小、質(zhì)量輕、功 耗低的控制力矩陀螺群伺服控制裝置，實(shí)現(xiàn)兩臺套控制力矩陀螺的伺服控制，且最多擴(kuò)展 至六臺套控制力矩陀螺的伺服控制，特別適用于中小型敏捷衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置，其特征是， 直流電源與電源板連接，電源板包括電源轉(zhuǎn)換模塊I、電源轉(zhuǎn)換模塊II和電源轉(zhuǎn)換模塊 III，分別向控制板和驅(qū)動板提供功率電源、模擬電源和數(shù)字電源；框架I編碼器和框架II 編碼器接收驅(qū)動板傳輸?shù)男畔ⅲ煽蚣躀和框架II角位置信息，再發(fā)送給控制板；
[0007] 控制板包括CAN總線接口、主控制器DSP、從控制器FPGA、框架I位置采集電路和 框架II位置采集電路；
[0008] 驅(qū)動板包括隔離電路、框架電機(jī)I驅(qū)動電路、框架電機(jī)II驅(qū)動電路、飛輪電機(jī)I驅(qū) 動電路、飛輪電機(jī)Π 驅(qū)動電路、框架電機(jī)I、框架電機(jī)II、飛輪電機(jī)I、飛輪電機(jī)II、霍爾信 號采集電路I、霍爾信號采集電路II、U/V相電流采集電路I、U/V相電流采集電路II、母線 電流采集電路I和母線電流采集電路II;
[0009] 主控制器DSP與CAN總線接口連接，實(shí)時接收控制力矩陀螺群伺服指令或發(fā)送當(dāng) 前控制力矩陀螺群的框架位置、框架角速度、框架電機(jī)相電流、飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速和飛輪電機(jī)母 線電流的實(shí)時值；
[0010] 從控制器FPGA通過框架I位置采集電路和框架II位置采集電路分別實(shí)時采集框 架電機(jī)I和框架電機(jī)II的框架角位置信號，通過霍爾信號采集電路I和霍爾信號采集電路 II分別實(shí)時采集飛輪電機(jī)I和飛輪電機(jī)II的角速度信號，并將信號送至主控制器DSP作 為各自的速度反饋值；主控制器DSP通過U/V相電流采集電路I、U/V相電流采集電路II、 母線電流采集電路I和母線電流采集電路II分別采集框架電機(jī)I、框架電機(jī)II、飛輪電機(jī) I、飛輪電機(jī)II的電流值，作為各自的電流反饋值；主控制器DSP根據(jù)各自的速度、電流反饋 值，結(jié)合相應(yīng)的伺服控制算法，對四臺套電機(jī)進(jìn)行速度、電流的雙環(huán)閉環(huán)控制，產(chǎn)生PWM指 令，從控制器FPGA根據(jù)指令產(chǎn)生PWM，實(shí)現(xiàn)對四臺套電機(jī)高精度伺服控制，即實(shí)現(xiàn)對兩臺套 控制力矩陀螺的高精度伺服控制；
[0011] 隔離電路用于隔離控制板中的數(shù)字信號地與驅(qū)動板中的功率地，避免數(shù)字地與功 率地之間相互串?dāng)_；
[0012] 框架電機(jī)I驅(qū)動電路與框架電機(jī)II驅(qū)動電路完全一致，分別用于驅(qū)動低速運(yùn)行的 框架電機(jī)I和框架電機(jī)II ;
[0013] 飛輪電機(jī)I驅(qū)動電路與飛輪電機(jī)II驅(qū)動電路完全一致，分別用于驅(qū)動高速運(yùn)行的 飛輪電機(jī)I和飛輪電機(jī)II。
[0014] 本發(fā)明的原理是：通過U/V相電流采集電路、框架編碼器實(shí)時獲取框架電機(jī)的相 電流、角速度值，通過母線電流采集電路、霍爾信號采集電路實(shí)時獲取飛輪電機(jī)的母線電 流、角速度值，并將這些反饋值送至主控制器DSP中，運(yùn)行兩臺套框架機(jī)構(gòu)、兩臺套飛輪的 伺服控制算法，產(chǎn)生四路PWM指令，從控制器FPGA根據(jù)PWM指令并行產(chǎn)生四路電機(jī)所需的 PWM波形，經(jīng)隔離電路、驅(qū)動電路生成兩臺套框架電機(jī)、兩臺套飛輪電機(jī)所需的控制電流，從 而實(shí)現(xiàn)對兩臺套控制力矩陀螺的高精度伺服控制。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：
[0016] (1)本發(fā)明充分利用主控制器DSP具有高速運(yùn)行浮點(diǎn)數(shù)能力、從控制器FPGA具 有多路并行運(yùn)行能力，將兩臺套框架機(jī)構(gòu)和兩臺套飛輪伺服控制算法集成到主控制器DSP 中，PWM波形生產(chǎn)集成到從控制器FPGA中；兩臺套框架機(jī)構(gòu)和兩臺套飛輪共用電源板，單獨(dú) 使用各自的驅(qū)動電路。
[0017] (2)本發(fā)明可最多擴(kuò)展至六臺套控制力矩陀螺組成的控制力矩陀螺群伺服控制裝 置，滿足中小衛(wèi)星對不同構(gòu)型下控制力矩陀螺群的使用要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置結(jié)構(gòu)框圖。
[0019] 圖2為本發(fā)明高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置的伺服控制框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 如圖1、圖2所示，高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置，由控制板1、驅(qū)動 板2、電源板3、直流電源4、框架I編碼器5及框架2編碼器6構(gòu)成。
[0021] 直流電源4與電源板3連接，電源板3包括電源轉(zhuǎn)換模塊127、電源轉(zhuǎn)換模塊1128 和電源轉(zhuǎn)換模塊11129,分別向控制板1和驅(qū)動板2提供功率電源、模擬電源和數(shù)字電源； 框架I編碼器5和框架II編碼器6接收驅(qū)動板2傳輸?shù)男畔?，生成框架I和框架II角位 置信息，再發(fā)送給控制板1。在接入直流電源4后，電源板3向控制板1、驅(qū)動板2提供功率 電源+28V (PGND)、模擬電源± 12V (AGND)和數(shù)字電源+5V (DGND)。
[0022] 控制板1包括CAN總線接口 7、主控制器DSP8、從控制器FPGA9、框架I位置采集電 路11和框架II位置采集電路10。
[0023] 驅(qū)動板2包括隔離電路12、框架電機(jī)I驅(qū)動電路13、框架電機(jī)II驅(qū)動電路16、飛 輪電機(jī)I驅(qū)動電路19、飛輪電機(jī)II驅(qū)動電路23、框架電機(jī)114、框架電機(jī)1117、飛輪電機(jī) 120、飛輪電機(jī)1124、霍爾信號采集電路122、霍爾信號采集電路1126、U/V相電流采集電路 115、U/V相電流采集電路II18、母線電流采集電路121和母線電流采集電路1125。
[0024] 主控制器DSP8與CAN總線接口 7連接，實(shí)時接收控制力矩陀螺群伺服指令或發(fā)送 當(dāng)前控制力矩陀螺群的框架位置、框架角速度、框架電機(jī)相電流、飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速和飛輪電機(jī) 母線電流的實(shí)時值。
[0025] 從控制器FPGA9通過框架I位置采集電路11和框架II位置采集電路10分別實(shí) 時采集框架電機(jī)114和框架電機(jī)1117的框架角位置信號，通過霍爾信號采集電路122和 霍爾信號采集電路Π 26分別實(shí)時采集飛輪電機(jī)120和飛輪電機(jī)1124的角速度信號，并將 信號送至主控制器DSP8作為各自的速度反饋值；主控制器DSP8通過U/V相電流采集電路 I15、U/V相電流采集電路1118、母線電流采集電路121和母線電流采集電路1125分別采集 框架電機(jī)114、框架電機(jī)II17、飛輪電機(jī)120、飛輪電機(jī)1124的電流值，作為各自的電流反饋 值；主控制器DSP8根據(jù)各自的速度、電流反饋值，結(jié)合相應(yīng)的伺服控制算法，對四臺套電機(jī) 進(jìn)行速度、電流的雙環(huán)閉環(huán)控制，產(chǎn)生PWM指令，從控制器FPGA根據(jù)指令產(chǎn)生PWM，實(shí)現(xiàn)對四 臺套電機(jī)高精度伺服控制，即實(shí)現(xiàn)對兩臺套控制力矩陀螺的高精度伺服控制。
[0026] 隔離電路12用于隔離控制板1中的數(shù)字信號地與驅(qū)動板2中的功率地，避免數(shù)字 地與功率地之間相互串?dāng)_。
[0027] 框架電機(jī)I驅(qū)動電路13與框架電機(jī)II驅(qū)動電路16完全一致，分別用于驅(qū)動低速 運(yùn)行的框架電機(jī)114和框架電機(jī)1117?？蚣茈姍C(jī)I驅(qū)動電路13由三相Η橋和六路NM0S驅(qū) 動電路組成，其中單相橋由上橋臂NM0S和下橋臂NM0S串聯(lián)而成。
[0028] 飛輪電機(jī)I驅(qū)動電路19與飛輪電機(jī)II驅(qū)動電路23完全一致，分別用于驅(qū)動高速 運(yùn)行的飛輪電機(jī)120和飛輪電機(jī)1124。飛輪電機(jī)I驅(qū)動電路19由三相Η橋、六路NM0S驅(qū) 動電路和泄能通道組成，其中單相橋由上橋臂NM0S和下橋臂NM0S串聯(lián)而成，泄能通道為飛 輪電機(jī)120在減速制動過程中提供能量釋放通道。
[0029] 實(shí)時伺服控制兩臺套控制力矩陀螺所組成的控制力矩陀螺群，單臺套控制力矩陀 螺伺服裝置單獨(dú)包括框架電機(jī)I驅(qū)動電路13、飛輪電機(jī)I驅(qū)動電路19、框架電機(jī)114、飛輪 電機(jī)120、U/V相電流采集電路115、母線電流采集電路121、霍爾信號采集電路122、框架I 編碼器5、框架I位置采集電路11，共用電源板3、主控制器DSP8、從控制器FPGA9、CAN總線 接口 7和直流電源4 ;根據(jù)主控制器DSP8和從控制器FPGA9的資源可將該裝置最多擴(kuò)展至 六臺套控制力矩陀螺所組成的控制力矩陀螺群。
[0030] 主控制器DSP8采用一片TMS320F28XXX系列芯片作為處理器，具備高速運(yùn)行浮點(diǎn) 數(shù)能力，從控制器FPGA9采用一片VirtexII或以上系列芯片作為處理器，具備多路并行運(yùn) 行能力，實(shí)現(xiàn)控制力矩陀螺群的高精度伺服控制。
[0031] 實(shí)施例：
[0032] 本發(fā)明能夠同時對兩臺套控制力矩陀螺進(jìn)行高精度伺服控制，主控制器DSP8通 過CAN總線接口 7接收到控制力矩陀螺群伺服指令，包括框架電機(jī)114、飛輪電機(jī)120、框架 電機(jī)1117和飛輪電機(jī)1124伺服指令，并觸發(fā)控制力矩陀螺群的伺服程序。
[0033] 以單臺套控制力矩陀螺伺服控制為例，利用U/V相電流采集電路115實(shí)時獲取框 架電機(jī)114的U相、V相電流，經(jīng)坐標(biāo)變換后得到d/q軸電流值iql、idl，利用框架I位置采 集電路11實(shí)時獲取框架電機(jī)114的框架I位置Θ i，進(jìn)一步計算得到角速度Gc〇ml，主控制 器DSP8根據(jù)框架電機(jī)114期望轉(zhuǎn)速^^^^和反饋轉(zhuǎn)速值Gc〇ml，經(jīng)速度環(huán)控制得到d/q軸期 望電流值ζ、4，經(jīng)d/q軸電流環(huán)控制得到施加在框架電機(jī)114d/q軸電壓值uql、udl，經(jīng)坐 標(biāo)變換、SVPWM算法后得到PWM指令，從控制器FPGA9根據(jù)PWM指令生產(chǎn)PWM波形，經(jīng)隔離電 路12、框架電機(jī)I驅(qū)動電路13產(chǎn)生所需的控制電流；與此同時，利用母線電流采集電路121 實(shí)時獲取飛輪電機(jī)120的母線電流h，利用霍爾信號采集電路122實(shí)時獲取三相霍爾信號 Hu、Hv、Hw，進(jìn)一步計算得到角速度Fc〇ml，主控制器DSP8根據(jù)飛輪電機(jī)120期望轉(zhuǎn)速 和反饋轉(zhuǎn)速值F?ml，經(jīng)速度環(huán)控制器得到期望電流值?,，經(jīng)電流環(huán)控制器得到施加在飛輪 電機(jī)120電壓值，經(jīng)霍爾換相算法后得到PWM指令，從控制器FPGA9根據(jù)PWM指令生產(chǎn) PWM波形，經(jīng)隔離電路12、飛輪電機(jī)I驅(qū)動電路19產(chǎn)生所需的控制電流；主控制器DSP8通 過CAN總線接口 7,發(fā)送當(dāng)前的框架位置、框架角速度、框架電機(jī)相電流、飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速和飛 輪電機(jī)母線電流的實(shí)時值，實(shí)時監(jiān)控控制力矩陀螺的伺服控制狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1. 高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置，其特征是， 直流電源（4)與電源板（3)連接，電源板（3)包括電源轉(zhuǎn)換模塊1(27)、電源轉(zhuǎn)換模塊 11(28)和電源轉(zhuǎn)換模塊III (29)，分別向控制板（1)和驅(qū)動板（2)提供功率電源、模擬電源 和數(shù)字電源；框架I編碼器（5)和框架II編碼器（6)接收驅(qū)動板（2)傳輸?shù)男畔?，生成?架I和框架II角位置信息，再發(fā)送給控制板（1); 控制板（1)包括CAN總線接口（7)、主控制器DSP (8)、從控制器FPGA (9)、框架I位置采 集電路（11)和框架II位置采集電路（10); 驅(qū)動板⑵包括隔離電路（12)、框架電機(jī)I驅(qū)動電路（13)、框架電機(jī)II驅(qū)動電路（16)、 飛輪電機(jī)I驅(qū)動電路（19)、飛輪電機(jī)II驅(qū)動電路（23)、框架電機(jī)I (14)、框架電機(jī)II (17)、 飛輪電機(jī)I (20)、飛輪電機(jī)II (24)、霍爾信號采集電路I (22)、霍爾信號采集電路II (26)、U/ V相電流采集電路1(15)、U/V相電流采集電路II (18)、母線電流采集電路1(21)和母線電 流采集電路11(25); 主控制器DSP (8)與CAN總線接口（7)連接，實(shí)時接收控制力矩陀螺群伺服指令或發(fā)送 當(dāng)前控制力矩陀螺群的框架位置、框架角速度、框架電機(jī)相電流、飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速和飛輪電機(jī) 母線電流的實(shí)時值； 從控制器FPGA(9)通過框架I位置采集電路（11)和框架II位置采集電路（10)分別 實(shí)時采集框架電機(jī)1(14)和框架電機(jī)11(17)的框架角位置信號，通過霍爾信號采集電路 I (22)和霍爾信號采集電路II (26)分別實(shí)時采集飛輪電機(jī)I (20)和飛輪電機(jī)II (24)的角 速度信號，并將信號送至主控制器DSP (8)作為各自的速度反饋值；主控制器DSP (8)通過 U/V相電流采集電路I (15)、U/V相電流采集電路II (18)、母線電流采集電路I (21)和母線 電流采集電路II (25)分別采集框架電機(jī)I (14)、框架電機(jī)II (17)、飛輪電機(jī)I (20)、飛輪電 機(jī)II (24)的電流值，作為各自的電流反饋值；主控制器DSP (8)根據(jù)各自的速度、電流反饋 值，結(jié)合相應(yīng)的伺服控制算法，對四臺套電機(jī)進(jìn)行速度、電流的雙環(huán)閉環(huán)控制，產(chǎn)生PWM指 令，從控制器FPGA根據(jù)指令產(chǎn)生PWM，實(shí)現(xiàn)對四臺套電機(jī)高精度伺服控制，即實(shí)現(xiàn)對兩臺套 控制力矩陀螺的高精度伺服控制； 隔離電路（12)用于隔離控制板（1)中的數(shù)字信號地與驅(qū)動板（2)中的功率地，避免數(shù) 字地與功率地之間相互串?dāng)_； 框架電機(jī)I驅(qū)動電路（13)與框架電機(jī)II驅(qū)動電路（16)完全一致，分別用于驅(qū)動低速 運(yùn)行的框架電機(jī)I (14)和框架電機(jī)II (17); 飛輪電機(jī)I驅(qū)動電路（19)與飛輪電機(jī)II驅(qū)動電路（23)完全一致，分別用于驅(qū)動高速 運(yùn)行的飛輪電機(jī)I (20)和飛輪電機(jī)II (24)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置，其特征在于， 實(shí)時伺服控制兩臺套控制力矩陀螺所組成的控制力矩陀螺群，單臺套控制力矩陀螺伺服裝 置單獨(dú)包括框架電機(jī)I驅(qū)動電路（13)、飛輪電機(jī)I驅(qū)動電路（19)、框架電機(jī)I (14)、飛輪電 機(jī)I (20)、U/V相電流采集電路I (15)、母線電流采集電路I (21)、霍爾信號采集電路I (22)、 框架I編碼器（5)、框架I位置采集電路（11)，共用電源板（3)、主控制器DSP(8)、從控制器 FPGA (9)、CAN總線接口（7)和直流電源（4);根據(jù)主控制器DSP (8)和從控制器FPGA (9)的 資源可將該裝置最多擴(kuò)展至六臺套控制力矩陀螺所組成的控制力矩陀螺群。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置，其特征在于， 主控制器DSP (8)采用一片TMS320F28XXX系列芯片作為處理器，具備高速運(yùn)行浮點(diǎn)數(shù)能力， 從控制器FPGA(9)采用一片VirtexII或以上系列芯片作為處理器，具備多路并行運(yùn)行能 力，實(shí)現(xiàn)控制力矩陀螺群的高精度伺服控制。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置，其特征在于， 框架電機(jī)I驅(qū)動電路（13)由三相Η橋和六路NMOS驅(qū)動電路組成，其中單相橋由上橋臂NMOS 和下橋臂NMOS串聯(lián)而成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高集成高精度控制力矩陀螺群伺服控制裝置，其特征在于， 飛輪電機(jī)I驅(qū)動電路（19)由三相Η橋、六路NMOS驅(qū)動電路和泄能通道組成，其中單相橋由 上橋臂NMOS和下橋臂NMOS串聯(lián)而成，泄能通道為飛輪電機(jī)I (20)在減速制動過程中提供 能量釋放通道。
【文檔編號】B64G1/28GK104044756SQ201410254945
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】金光, 陳茂勝, 穆欣, 戴路, 徐振, 陶淑蘋 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所