[发明专利]一种基于FPGA单处理器的超高精度微波成像仪扫描控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及航天中微波成像仪扫描技术领域，具体涉及一种基于FPGA单处理器的超高精度微波成像仪扫描控制系统。

背景技术

微波成像仪是风云系列气象卫星的重要有效载荷，负责探测全球大气中的温度和湿度分布，对中长期天气预报具有重要作用。其中的关键核心部件为扫描驱动装置，用以对地精确扫描。目前国内在高可靠长寿命扫描驱动控制技术研究方面仍处于起步阶段，必须依赖国外引进来解决。其研制经费高达几千万元不说，还因国外高技术的封锁不断加剧，成套引进已面临着从价格高昂、时间长变为禁运的局面。而此部件是风云系列后续星和军用气象卫星微波遥感有效载荷的必备部件，若不进行国产化研究，将严重制约我国在研和预研卫星型号任务的完成。因此必须对扫描驱动装置进行国产化研制，减少对国外的技术依赖，降低产品成本，保障型号任务的持续成功。其中的最关键技术就包括速度波动指标要求为万分之二的超高精度扫描控制方法及系统的设计。

经过对现有文献的检索，发现有以下现有技术：一、申请号为200910082348.9，公开号为CN 101865994 A，名称为“一种基于单片机的微波辐射计的扫描控制装置及控制方法”，该技术给出了一种基于单片机和步进电机的微波辐射计的扫描控制系统，但是该技术采用传统的单片机的控制方式，驱动控制的是步进电机，扫描控制精度不高；二、申请号为200920107781.9，公开号为CN 201589858 U，名称为“采用FPGA技术的星载微波辐射计数据处理及扫描控制系统”，该技术采用了FPGA芯片来实现星载微波辐射计的控制电路部分，增加控制电路的集成性，体积小和功耗低，但该控制系统并不涉及高性能的伺服闭环计算、永磁同步电机驱动等伺服功能；三、申请号为201410438343.6，公开号为CN 104199475 A，名称为“一种在空间应用的扫描驱动装置”，该技术提供了一种在空间应用的扫描驱动装置的机械设计，并不涉及扫描驱动装置的高精度扫描控制。

发明内容

针对微波成像仪在低速度条件下实现超高精度的扫描速度稳定度这一难题，本申请提供一种基于FPGA单处理器的超高精度微波成像仪扫描控制系统，包括主控制系统和备份控制系统，主控制系统与备份控制系统互为镜像，主控制系统与备份控制系统由中央处理器切换控制，且备份控制系统用于冷备份；

主控制系统包括FPGA单处理器、电机功率驱动模块、电机和传感器接口模块；

FPGA单处理器通过电机功率驱动模块采集电机的电流、通过传感器接口模块采集电机的角度信息，并根据电流对电机进行电流闭环控制，根据角度信息对电机进行角速度闭环控制，通过电流闭环控制和角速度闭环控制驱动电机带动微波成像仪的天线以额定扫描周期旋转。

一种实施例中，电流闭环控制包括：滞环比较控制器、Park反变换、SVPWM模块、电压源逆变器和Clarke&Park变换；

滞环比较控制器、Park反变换、SVPWM模块、电压源逆变器和Clarke&Park变换首尾顺次耦合连接。

一种实施例中，角速度闭环控制包括PI控制器和角速度估计模块；

PI控制器的输出端耦合至电流闭环控制的输入端，电流闭环控制的输出端耦合至电机，电机的输出端耦合至角速度估计模块的输入端，角速度估计模块的输出端耦合至PI控制器。

一种实施例中，角速度估计模块包括二阶跟踪微分器，二阶跟踪微分器的函数为：

其中，R为二阶跟踪微分器的参数，θ(t)为电机实时反馈的角度信息，x₁为估计的角度信息，x₂为估计的电机扫描角速度。一种实施例中，二阶跟踪微分器的函数转换成线性饱和函数为：

其中，δ为二阶跟踪微分器的另一参数，且.

一种实施例中，主控制系统还包括与FPGA单处理器通信的RS232串口通信模块，RS232串口通信模块用于采用标准的RS232串行通讯接口接收中央处理器的遥控指令，并上传至FPGA单处理器，同时，还用于将FPGA单处理器的遥测信息上传至中央处理器。

一种实施例中，主控制系统还包括与FPGA单处理器通信的离散信号接口模块，离散信号接口模块包括要求送数接收端、公共接地端、扫描起始脉冲发送端和加电状态发送端。

一种实施例中，主控制系统还包括电源转换模块，电源转换模块包括输出三个不同的电压输出端。