[发明专利]一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统

说明书

本发明公开了一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，可作为飞轮、控制力矩陀螺等空间执行结构的高精度稳速控制系统，其包括：F‑V转换模块、PI控制模块、PWM信号产生模块、三相功率驱动模块、电机、转速脉冲产生模块。本发明可实现飞轮转子的稳速控制，6000rpm稳速时的转速闭环控制精度可达到±1rpm。本发明的电路装置通过模拟器件实现，不需要任何数字芯片，电路简单可靠，成本低，易于实现，抗辐照能力强。

技术领域

本发明涉及飞轮高速无刷直流电机稳速控制系统，适用于卫星长寿命、高精度姿态控制系统空间执行机构的运行控制。

背景技术

飞轮及控制力矩陀螺内转子作为航天器的执行部件，其高精度高稳定度控制一直以来是关键技术难点。飞轮内部采用无刷直流电机作为驱动组件，性能稳定，相比光电码盘，成本低，可靠性高，被广泛用于空间执行机构的驱动组件中。航天器姿态控制系统工作时，根据姿控调整的需要，向飞轮发送系统指令，飞轮执行相应的指令，进行加减速或稳速运行，向航天器提供合适的控制力矩及角动量，对航天器的姿态偏差进行矫正，实现航天器姿态的稳定控制。

随着航天器寿命的要求越来越高，要求飞轮的寿命和可靠性也越来越高。目前，对飞轮进行加减速和稳速控制的电路装置，普遍采用数字芯片，如DSP、FPGA等实现，在卫星等航天器领域，高抗辐照数字芯片的成本较高，在轨运行时，失效率较高，对飞轮进行高精度稳速控制时，需要复杂的控制算法，这更进一步增加了系统的复杂度，同时也不利于可靠性的提高。基于光电码盘的飞轮转速控制，可以获得较高的转速控制精度，但光电码盘及其数字控制电路也同样较为复杂，不利于产品的高可靠性、低成本、小型化的实现。

飞轮内部采用模拟器件构成控制电路组件，对飞轮内部无刷直流电机进行控制。采用基于F-V转换的稳速控制方法，降低了产品成本，提高了产品的整体抗辐照能力，减小了产品体积。飞轮在6000rpm下的稳速控制精度可达到±1rpm，可以满足航天器姿态调整的需要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有飞轮稳速控制系统使用数字芯片及光电码盘复杂度高、可靠性低、成本高的不足，提出了一种采用F-V转换芯片实现飞轮转速闭环控制的系统方案及电路装置，具有可靠性高、成本低、体积小的特点。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于频率电压转换的飞轮稳速控制系统，其特点是，包括：频率电压转换模块、PI控制模块、PWM信号产生模块、三相功率驱动模块、电机、转速脉冲产生模块；

所述的频率电压转换模块用于对转速脉冲信号Fs进行频率电压转换，产生与转速脉冲信号Fs成正比的电压信号Vfs，Vfs与转速指令电压Vd比较后，将偏差ΔVi送至PI控制模块，进行运算处理后生成输出电压信号Vo，电压信号Vo与飞轮转速脉冲信号Fs成正比，输出电压信号Vo送至PWM信号产生模块，进行运算处理后，得到脉宽与飞轮转速控制偏差大小成正比的PWM信号，该PWM信号送至三相功率驱动模块，并直接驱动飞轮电机的加减速运行，所述飞轮电机工作时，其内部的霍尔传感器输出三路相位相差120°、占空比50％的霍尔脉冲信号PHA、PHB、PHC，三路信号送至转速脉冲产生模块，经过逻辑处理后，产生飞轮转速脉冲信号Fs。

所述的频率电压转换模块包括JK触发器U1A、JK触发器U1B、频率电压转换芯片U2及其外围电路；

其中JK触发器U1A的第1脚信号CD与U1B的第10脚信号/Q相连，U1A的第2脚信号J与U1A的第7脚信号/Q相连，U1A的第3脚信号K与U1A的第5脚信号SD、U1B的第13脚信号K、U1B的第15脚信号CD、U1B的第11脚信号SD相连，并连接至正电源端+15V，U1A的第4脚连接飞轮转速脉冲信号Fs，U1A的第6脚信号Q连接至U1B的第14脚信号J，U1A的第9脚信号Q连接至U2的第14脚信号COMP-，U1B的第12脚连接外部时钟信号Fclk；