[发明专利]一种集成化双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统

权利要求书

1.一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。

2.根据权利要求1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，其特征在于：所述的DSP模块(31)首先根据位移参考中心值及电流参考值求取位移偏差值、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(32)；同时根据上位机(1)的需要在线修改控制算法中的参数。

3.根据权利要求1所述的集成化的双框架磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制系统，其特征在于：磁轴承控制系统与框架控制系统(5)之间采取两套通讯回路：FPGA模块(32)利用D/A模块(41)发送和A/D模块(42)接收的功能，相互通讯已转成模拟量的陀螺转子(8)位移量与内外两个框架位置、转速值；SPI接口(23)连接DSP模块(31)的SPI同步串口，采用RS422差分传输协议，与框架控制系统(5)之间传送数字控制量，实现系统数字通讯接口的扩展和对外界噪声的隔离功能。

4.根据权利要求书1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，其特征在于：所述的上位机(1)以串行方式接收由FPGA模块(32)、USB接口(21)构成的数据采集功能部分发送的磁轴承位移、电流和控制量数据，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(1)对DSP模块(31)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(22)采用串口方式查询与修改控制参数，包括基本控制算法中的比例、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。

5.根据权利要求1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，其特征在于：所述的DSP模块(31)、FPGA模块(32)和A/D模块(42)只用一个固定的晶振(36)做外部时钟源，其中，DSP模块(31)的内部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(32)成为其时钟源，A/D模块(42)的时钟由FPGA模块(32)时钟分频得到。