[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

说明书

技术领域

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。

背景技术

控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope，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。同时，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采集和在线监控功能，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。

发明内容

本发明的技术解决问题是：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。

本发明的技术解决方案是：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模块、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；