[发明专利]一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统及控制方法

说明书

一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统及控制方法属于飞轮控制技术领域，目的在于解决抗空间环境能力差、功耗高、成本高以及可靠性低的问题。本发明的母线电压采集模块采集飞轮母线电压，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；飞轮电机温度采集模块和飞轮连接采集飞轮本体温度，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；霍尔传感器和飞轮电机连接获取飞轮电机的电机速度和换向状态并输送至FPGA模块，经FPGA模块计算获得电流指令信号；电流传感器和飞轮电机连接获取飞轮转子电流，经运算放大器送入A/D转换器，得到飞轮转子电流的数字量，输送至FPGA模块，FPGA模块根据电流指令信号和飞轮转子电流计算输出PWM信号至电流功率驱动，电流功率驱动根据PWM信号驱动飞轮电机转动。

技术领域

本发明属于飞轮控制技术领域，具体涉及一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统及控制方法，用于无刷直流电机的高集成度控制。

背景技术

飞轮是卫星姿态控制系统的执行机构，随着小卫星技术的发展，对姿态执行机构提高了要求，要求其执行机构质量轻、成本低、控制简单、体积小、功耗低、精度高。提高小卫星飞轮的高集成度、高精度则作为现代小卫星执行机构的重要技术指标。

目前小卫星飞轮常采用DSP或微控制器作为核心控制器件，主要表现在：DSP或微控制器多集成浮点运算单元，方便控制算法的实现。但DSP或微控制器程序多在SRAM中运行，抗空间环境能力差、功耗高，而航天级DSP成本高，使整个飞轮系统增加了功耗、成本。这并不符合现代小卫星低成本、低功耗、高可靠性的特点。随着基于FLASH的FPGA的出现，通过在FPGA中实现单精度浮点运算，结合FPGA固有的并行运算能力和接口扩展能力，则显示出巨大的优势。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统及控制方法，解决现有技术存在的抗空间环境能力差、功耗高、成本高以及可靠性低的问题，实现对飞轮电机的高集成度、高精度的控制。

为实现上述目的，本发明的一种基于FPGA的小卫星飞轮控制系统包括霍尔传感器、电流传感器、运算放大器、A/D转换器、母线电压采集模块、飞轮电机温度采集模块、FPGA模块、电机功率驱动模块、电源模块、星务计算机以及PC机实时显示模块；

所述FPGA模块通过CAN总线和星务计算机连接，通过RS422和PC机实时显示模块连接；所述电源模块和控制系统整体连接供电；

所述母线电压采集模块和母线电压连接采集飞轮母线电压，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；所述飞轮电机温度采集模块和飞轮连接采集飞轮本体温度，并通过FPGA模块和CAN总线送入星务计算机；霍尔传感器和飞轮电机连接获取飞轮电机的电机速度和换向状态并输送至FPGA模块，经FPGA模块计算获得电流指令信号；所述电流传感器和飞轮电机连接获取飞轮转子电流，经运算放大器送入A/D转换器，得到飞轮转子电流的数字量，输送至FPGA模块，FPGA模块根据电流指令信号和飞轮转子电流计算输出PWM信号至电流功率驱动，电流功率驱动根据PWM信号驱动飞轮电机转动。

所述电源模块包括第一电源模块、第二电源模块和第三电源模块；

第一电源模块向飞轮电机功率驱动模块提供功率电；

第二电源模块向电流传感器、运算放大器、A/D转换器、母线电压采集模块和飞轮电机温度采集模块提供模拟电；

第三电源模块向霍尔传感器、CAN/RS422通讯和FPGA模块提供数字电。

对功率电、模拟电和数字电通过磁珠隔离。

所述FPGA模块选用flash型的FPGA。

一种基于FPGA的小卫星飞轮控制方法包括以下步骤：

步骤一：在FPGA模块内编辑运算语言，获得速度闭环运算单元和电流闭环运算单元；