专利名称：一种磁悬浮控制力矩陀螺框架与锁紧控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁悬浮控制力矩陀螺框架与锁紧控制系统，用于对磁悬浮控制 力矩陀螺框架力矩电机的高精度、快响应控制和磁悬浮控制力矩陀螺的锁紧与解锁控 制，特别适用于要求高控制精度、快响应速度、高可靠性的精密航天器控制执行机构。
背景技术：
控制力矩陀螺(CMG)是大型卫星、空间站等大型航天器姿态机动的关键执行机 构。CMG由高速转子系统和框架力矩电机系统组成，根据高速转子支承方式的不同， 分机械CMG和磁悬浮CMG。磁悬浮CMG采用磁悬浮的轴承支承方式相对于机械滚珠 轴承支承的机械控制力矩陀螺避免了机械轴承本身由于摩擦带来的磨损，因此具有长寿 命、高转速、大力矩输出等优点，在大型航天器上具有广阔的应用前景。磁悬浮CMG的应用原理是高速磁悬浮转子提供角动量，框架力矩电机转动以改 变磁悬浮转子的角动量方向，使CMG输出力矩调整航天器姿态。框架力矩电机的角位置 控制精度和角速度控制精度越高，磁悬浮CMG输出力矩的方向和大小越准确，而框架力 矩电机的响应越快，磁悬浮CMG输出力矩的响应速度也越快，从而航天器姿态机动速度 也越快。因此框架力矩电机角位置和角速度的高精度、快响应控制是其必须突破的关键 技术。现有的框架力矩电机控制方式分为三环控制和两环控制两种控制方式，两环控制 方式为角速度环和电流环，由于没有角位置环，很难实现框架力矩电机角位置的精确控 制，从而无法实现磁悬浮CMG输出力矩方向的高精度控制；传统的三环控制方式响应速 度很慢，无法实现航天器的快速机动能力，因此传统的框架力矩电机控制方式无法满足 角位置、角速度的高精度、快响应控制的统一。磁悬浮CMG的锁紧装置可保护磁悬浮转 子不被火箭发射过程中的剧烈振动和冲击损坏，超声波电机的摩擦传动机理可以实现断 电自锁紧，在火箭发射过程中超声波电机不需供电，提高了系统的可靠性，十分适合磁 悬浮CMG的锁紧装置，但是超声波电机的摩擦传动产生的大量热量使得超声波电机的谐 振模态发生偏移，尤其在真空环境中，热量无法通过对流形式散发，同时锁紧时超声波 电机所受到的轴向压力也会使其谐振模态发生偏移，影响了超声波电机的正常运行，甚 至停转从而无法完成锁紧装置的锁紧、解锁。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有磁悬浮控制力矩陀螺框架控制技术和超声 波电机控制技术的不足并为磁悬浮转子提供保护，提供一种高精度、快响应、高可靠的 磁悬浮控制力矩陀螺框架与锁紧控制系统。本发明的技术解决方案是一种磁悬浮控制力矩陀螺框架与锁紧控制系统，其 特征在于包括框架力矩电机、锁紧机构、超声波电机、锁紧传感器电路、DSP+FPGA 数控装置，其中DSP+FPGA数控装置包括CAN通讯电路、指令解析器、框架控制器、 锁紧解锁控制器、框架电机功率驱动电路、超声波电机功率驱动电路、框架电机传感器电路；框架电机传感器电路包括旋转变压器激磁及轴角解码电路、旋转变压器、电流传 感器、A/D采样电路；框架控制器包括角位置环控制器、角速度环控制器和电流环控制 器。星载计算机通过CAN通讯电路向框架控制器和锁紧解锁控制器传送角位置给定指令 和锁紧机构状态的查询指令及锁紧、解锁指令，角位置给定指令输入指令解析器得到角 速度前馈指令和电流前馈指令，旋转变压器激磁及轴角解码电路为旋转变压器提供激磁 电源，框架力矩电机带动旋转变压器一起转动，旋转变压器输出四路与框架力矩电机角 位置有关的模拟电压信号至旋转变压器激磁及轴角解码电路，旋转变压器激磁及轴角解 码电路对四路与框架力矩电机角位置有关的模拟电压信号进行轴角解码，输出框架力矩 电机角位置的数字信号和角速度的模拟信号，电流传感器输出框架力矩电机的相电流模 拟信号，角速度的模拟信号和相电流的模拟信号通过A/D采样电路转换成角速度的数字 信号和相电流的数字信号，角位置给定与角位置的数字信号相减输入至角位置环控制器 进行控制运算，角位置环控制器的输出信号与角速度前馈指令之和与角速度的数字信号 相减输入至角速度环控制器进行控制运算，角速度环控制器的输出信号与电流前馈指令 之和与相电流的数字信号相减输入至电流环控制器进行控制运算，电流环控制器输出的 控制量即为PWM脉冲的占空比值，电流环控制器输出PWM脉冲至框架电机功率驱动电 路，框架电机功率驱动电路对PWM脉冲进行放大、逆变成交流电压信号驱动框架力矩电 机转动。锁紧传感器电路对锁紧机构和超声波电机进行检测输出锁紧机构状态、温度、 轴向位移的电压信号至锁紧解锁控制器，锁紧解锁控制器输出锁紧机构状态至CAN通讯 电路，并根据温度、轴向位移确定超声波电机的谐振模态，锁紧解锁控制器对CAN通讯 电路输入的锁紧、解锁指令进行判断，如果为锁紧指令，则输出在此谐振模态下的谐振 频率的两路相位差90度的方波电压脉冲至超声波电机驱动电路进行放大成相位差90度 的正弦高压信号，驱动超声波电机正向转动，从而完成锁紧机构的锁紧；如果为解锁指 令，则输出在此谐振模态下的谐振频率的两路相位差-90度的方波电压脉冲至超声波电 机驱动电路进行放大成相位差-90度的正弦高压信号，驱动超声波电机反向转动，从而 完成锁紧机构的解锁。此外，所述的DSP+FPGA数控装置通过CAN通讯电路与星载计算机相连，可进 行磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统角位置或角速度的任意给定、角速度控制精度与稳 定度测试、控制参数修改、控制带宽测试、关键数据的实时图像显示和数据存储、锁紧 与解锁控制、系统工作状态查询、故障诊断以及系统复位等功能。本发明的原理是星载计算机通过CAN通讯电路向框架控制器和锁紧解锁控制 器传送角位置给定指令和锁紧、解锁指令，指令解析器根据角位置控制指令解析出角速 度前馈指令和电流前馈指令，旋转变压器激磁及轴角解码电路输出框架力矩电机转子的 角位置反馈信号和角速度反馈信号，电流传感器输出框架力矩电机的相电流反馈信号， 角位置环控制器根据角位置给定指令和角位置反馈信号进行闭环控制，其输出控制量与 角速度前馈指令之和作为角速度环控制器的给定值，角速度环控制器根据角速度环的给 定值及角速度反馈信号进行闭环控制，其输出控制量与电流前馈指令之和作为电流环控 制器的给定值，电流环控制器根据其给定值和相电流反馈信号进行闭环控制输出的控制 量为PWM占空比，框架控制器输出PWM脉冲，框架电机功率驱动电路对PWM脉冲进 行放大、逆变成交流电压信号驱动框架力矩电机转动，由于角位置、角速度、电流三闭环的应用，提高了磁悬浮控制力矩陀螺框架角位置和角速度的控制精度，而角速度、电 流前馈的应用加快了框架力矩电机的响应速度；锁紧解锁控制器检测超声波电机的温度 和轴向位移值，由于轴向位移反映了超声波电机的轴向预紧力，而温度和轴向预紧力影 响超声波电机的谐振模态，根据超声波电机温度和轴向位移值与谐振模态的关系，采用 在此温度和轴向位移下超声波电机的谐振频率，可使超声波电机发热量更少，运行更加 平稳，从而提高了锁紧机构的可靠性，锁紧解锁控制器输出两路该频率方波电压信号经 过超声波电机驱动电路放大成正弦高压信号驱动超声波电机转动，同时检测微动开关所 处的状态，直至完成锁紧机构的锁紧或解锁。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明所采用的角位置环、角速度环、电流环三闭环控制结构有效地保证了 框架伺服系统的角位置定位精度与角速度控制精度，从而保证了磁悬浮控制力矩陀螺输 出力矩方向和大小的高精度，同时对角位置给定指令进行解析，为角速度环控制器和电 流环控制器分别提供了角速度前馈和电流前馈，加快了框架控制系统的响应速度，加快 了磁悬浮控制力矩陀螺输出力矩的速度；角位置环、角速度环、电流环三闭环控制与角 速度、电流两前馈的结合使用实现了高精度控制与快响应控制的统一。(2)星载计算机可通过CAN通讯电路获得锁紧机构的状态并根据需求发出锁 紧、解锁指令，超声波电机驱动电路驱动超声波电机转动完成锁紧机构的锁紧、解锁， 有效地保护了磁悬浮控制力矩陀螺在火箭发射阶段受到的振动和冲击，提高了磁悬浮控 制力矩陀螺的可靠性，同时对超声波电机进行温度和轴向位移检测并采用对应的谐振频 率值，使得超声波电机工作性能更加稳定，提高了锁紧机构的可靠性。(3)仅使用一套DSP+FPGA数控装置就完成了磁悬浮控制力矩陀螺框架系统和 锁紧系统的控制，框架和锁紧控制系统共用DSP芯片、FPGA芯片、通讯电路、电源电 路，简化了锁紧系统、框架系统和星载计算机三者之间的通讯，有利于减少电路板的体 积、重量、功耗并增加可靠性。
[0012 [0013 [0014 [0015 [0016 [0017 [0018 [0019 [0020 [0021 [0022 [0023
图1为本发明的结构组成框图； 图2为本发明的DSP芯片、FPGA芯片电路图； 图3为本发明的框架控制器流程图； 图4为本发明的CAN通讯电路图； 图5本发明的指令解析器内部组成与连接框图； 图6为本发明的旋转变压器激磁及轴角解码电路图； 图7为本发明框架电机功率驱动电路图； 图8为本发明的电流传感器电路图； 图9为本发明的锁紧解锁控制器流程图； 图10为本发明的超声波电机功率驱动电路图； 图11为本发明的温度及轴向位移传感器电路图； 图12为本发明的锁紧机构示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明包括框架力矩电机12、超声波电机13、锁紧机构10、锁紧 传感器电路11、DSP+FPGA数控装置17，其中DSP+FPGA数控装置17包括CAN通讯 电路2、指令解析器3、框架控制器9、锁紧解锁控制器16、框架电机功率驱动电路14、 超声波电机功率驱动电路15、框架电机传感器电路5;框架电机传感器电路5包括旋转变 压器激磁及轴角解码电路6、旋转变压器8、电流传感器7、A/D采样电路4;框架控制 器9包括角位置环控制器91、角速度环控制器92和电流环控制器93。星载计算机1通过 CAN通讯电路2向框架控制器9和锁紧解锁控制器16传送角位置给定指令及锁紧、解锁 指令，角位置给定指令输入指令解析器3得到角速度前馈指令和电流前馈指令，旋转变 压器激磁及轴角解码电路6为旋转变压器8提供激磁电源，框架力矩电机12带动旋转变 压器8 —起转动，旋转变压器8输出四路与框架力矩电机12角位置有关的模拟电压信号 至旋转变压器激磁及轴角解码电路6，旋转变压器激磁及轴角解码电路6对四路与框架力 矩电机12角位置有关的模拟电压信号进行轴角解码，输出框架力矩电机12角位置的数字 信号和角速度的模拟信号，电流传感器7输出框架力矩电机12的相电流模拟信号，角速 度的模拟信号和相电流的模拟信号通过A/D采样电路4转换成角速度的数字信号和相电 流的数字信号，角位置给定与角位置的数字信号相减输入至角位置环控制器进行比例积 分运算，角位置环控制器的输出信号与角速度前馈指令之和与角速度的数字信号相减输 入至角速度环控制器进行比例积分微分运算，角速度环控制器的输出信号与电流前馈指 令之和与相电流的数字信号相减输入至电流环控制器进行比例运算，电流环控制器输出 的控制量即为PWM脉冲的占空比值，电流环控制器输出PWM脉冲至框架电机功率驱动 电路14，框架电机功率驱动电路14对PWM脉冲进行放大、逆变成交流电压信号驱动框 架力矩电机12转动。锁紧传感器电路11对锁紧机构10和超声波电机13进行检测输出 锁紧机构状态、温度、轴向位移的电压信号至锁紧解锁控制器16，锁紧解锁控制器16输 出锁紧机构状态至CAN通讯电路2，并根据温度、轴向位移确定超声波电机13的谐振模 态，锁紧解锁控制器16对CAN通讯电路2输入的锁紧、解锁指令进行判断，如果为锁紧 指令，则输出在此谐振模态下的谐振频率的两路相位差90度的方波电压脉冲至超声波电 机驱动电路15进行放大成相位差90度的正弦高压信号，驱动超声波电机13正向转动， 从而完成锁紧机构10的锁紧；如果为解锁指令，则输出在此谐振模态下的谐振频率的两 路相位差-90度的方波电压脉冲至超声波电机驱动电路15进行放大成相位差-90度的正 弦高压信号，驱动超声波电机13反向转动，从而完成锁紧机构10的解锁。图2为本发明的DSP芯片、FPGA芯片电路图，为DSP+FPGA数控装置17的 主要控制芯片，完成对DSP+FPGA数控装置17的控制及检测等操作。其中DSP芯片采 用TMS320C31，主要负责DSP+FPGA数控装置17的软件部分，指令解析器3、角位置环 控制器91、角速度环控制器92、电流环控制器93、锁紧解锁控制器16均在DSP芯片中 采用软件编程实现；FPGA芯片采用EPF10K30，负责DSP+FPGA数控装置17中硬件部 分，负责对CAN通讯电路2、框架电机功率驱动电路14、超声波电机功率驱动电路15、 旋转变压器激磁及轴角解码电路6、旋转变压器8、电流传感器7、A/D采样电路4的控 制。如图3所示，为本发明的框架控制器9流程图，框架控制器9采用软件实现，完成框架力矩电机三闭环加两前馈运算，首先接收角位置给定指令，读取角位置的数字信 号以进行角位置环比例积分运算，运算公式为C。uts = KpsX ( θ g- θ g「θ f+ θ fl)+KisX ( θ g-θ f)+Coutsl,其中c。uts为角位置环控制器的运算输出量，c。utsl为上一次角位置环控制器的 运算输出量，θ g为角位置环的给定指令，θ gl为上一次角位置的给定指令，9丨为角位置 的数字信号，θ fl为上一次角位置的数字信号，Kps为角位置环控制器的比例系数，Kis* 角位置环控制器的积分系数；其次输出角位置环控制器的运算结果，读取角速度的数字 信号和角速度前馈指令以进行角速度环比例积分微分运算，运算公式为C。utv = KpvX (Cou te-CouM+Vq-VqfVf+Vf!) +KivX (C0uts+Vq-Vf) +Coutv^KdvX (Cout-2C0Utsl+C0Uts2+vq-2vql+vq2-vf+2vfl -νβ),其中C。utv为角速度环控制器的运算输出量，C。utvl为上一次角速度环控制器的运算 输出量，C。uts2为再上一次角位置环控制器的运算输出量，Vq为角速度前馈指令，Vql为上 一次角速度前馈指令，Vq2为再上一次角速度前馈指令，Vf为角速度的数字信号，Vfl为上 一次角速度的数字信号，νβ为再上一次角速度的数字信号，Kpv*角速度环控制器的比 例系数，Kiv为角速度环控制器的积分系数；再次输出角速度环控制器的运算结果，读取 相电流的数字信号和电流前馈指令以进行电流环比例运算，运算公式为C。utl = Kp1X (Coutv -C。utvl+iq-iql-if+ifl)，其中C。utl为电流环的运算输出量，即为PWM占空比值，iq为电流前 馈指令，iql为上一次电流前馈指令，if为电流的数字信号，ifl为上一次电流的数字信号。如图4所示，为本发明的CAN通讯电路图，主要由晶振、SJA1000及 PCA82C250组成。其中星载计算机通过PCA82C250与SJA1000相连，SJA1000与FPGA 芯片相连，晶振与SJA1000相连，为SJA1000提供工作时钟，SJA1000为CAN通讯管 理器，负责CAN通讯中数据转换、波特率设置、工作模式设定、屏蔽与校验、中断等功 能，PCA82C250为CAN通讯接口器件。如图5所示，为本发明的指令解析器3原理图，角位置指令经过后向差分后得到 含有大量IOOHz以上的高频噪声的角速度信息，低通滤波器去除高频噪声，角速度校正 器采用串联校正，根据系统控制所要求的幅值余度、相角余度和截止频率进行超前或滞 后校正，以得到合适的角速度前馈指令；角位置指令经过两次后向差分及低通滤波器后 即可得到角加速度前馈指令，加速度至电流校正器将角加速度前馈指令进行串联校正， 并根据角加速度β与电流I的转换公式K1H1 = Jii得到电流前馈指令，其中K1为电磁 转矩系数，T1为负载力矩，J为转动惯量。如图6所示，为本发明的旋转变压器激磁及轴角解码电路6的图，主要由旋转变 压器激磁电路和轴角解码芯片组成，其中旋转变压器激磁电路输出激磁电源至旋转变压 器的输入绕组，旋转变压器的输出绕组与轴角解码芯片相连。旋转变压器激磁电路由晶 振、低通滤波器、大电流运放组成，其中晶振产生原始激磁信号至两路低通滤波器进行 低通滤波，低通滤波器输出至大电流运放进行电流放大以满足旋转变压器电流的需求能 力。轴角解码芯片采用AD2S80，与旋转变压器的输出绕组相连，输出角位置的数字信号 至框架控制器9和角速度的模拟信号至A/D采样电路4。如图7所示，本发明中框架电机功率驱动电路14主要由驱动芯片和三相逆变桥 组成，驱动芯片输出6路驱动PWM至三相逆变桥。驱动芯片采用IR2110，三相逆变桥 使用6片IRF540搭建，3片IR2110将FPGA输出的6路PWM脉冲转化为三相逆变桥的 驱动信号分别输出至6片IRF540，其中每片IR2110驱动三相逆变桥的一个桥的上下两片IRF540,三相逆变桥的输出至三相电机绕组，另外，IR2110还有shutdown引脚，拉高该 引脚可以关闭IR2110的输出，从而关闭框架电机功率驱动电路，在延时上功率电、紧急 断电、故障复位中有重要作用。如图8所示，为本发明的电流传感器7电路，主要由电流传感器芯片和后续模 拟调理电路组成。电流传感器芯片采用HBC001S/JN01，输出为电流大小的电压模拟信 号，线性好，精度高，响应快。后续模拟调理电路由降压电路和低通滤波电路组成，降 压电路将电流传感器芯片输出大的电压模拟信号从-12V 12V降为-4V 4V，以满足 A/D采样电路-5V 5V的输入电压要求，低通滤波电路采用两阶压控电压源低通滤波 器，截止频率介于有效频率两倍与PWM载波频率之间，以消除三相逆变桥功率电路对电 流模拟信号的干扰，提高反馈电流信号的信噪比。如图9所示，为本发明的锁紧解锁控制器16流程图，锁紧解锁控制器采用软件 实现，首先读取温度、轴向位移值，根据所测的超声波电机谐振频率与温度、轴向位移 的关系数据表格选取谐振频率，其次接收锁紧、解锁指令，读取锁紧微动开关、解锁微 动开关状态，如果是锁紧指令且锁紧微动开关未锁紧，则输出两路相位差90度的方波电 压脉冲使超声波电机正向转动完成锁紧，如果锁紧微动开关已锁紧，则重新执行流程； 如果是解锁指令且解锁微动开关未解锁，则输出两路相位差-90度的方波电压脉冲使超 声波电机反向转动完成解锁，如果解锁微动开关已解锁，则重新执行流程。如图10所示，本发明的超声波电机功率驱动电路15由驱动芯片IR2110、脉冲 变压器、功率管IRF540组成。IR2110将FPGA输出的PWM脉冲变成IRF540的驱动脉 冲，IRF540接在脉冲变压器的输入绕组，通过上下两个IRF540 —定频率的交替通断，使 脉冲变压器输出一个相同频率并升压了的交流电压，两组超声波电机功率驱动电路15分 别驱动超声波电机的定子绕组和转子绕组，通过更改定子绕组和转子绕组脉冲的相位差 即可实现超声波电机的正反转控制。图11为本发明的温度及轴向位移传感器电路图，其中左侧为温度传感器电路， 由钼电阻R和分压电阻Rtest组成，钼电阻采用ptlOO，ptlOO的电阻值随温度变化，则
R
的电压VADt发生变化，关系式为Rcxirrr^ = FM ,，其中，Vcc为传感器电
源，电压为+12V，R为ptlOO电阻，Rtest为分压电阻，阻值为400欧姆。根据电 t值即可得到ptlOO的电阻值进而得到超声波电机的温度值。右侧为超声波电机轴向位移 传感器电路，主要由振荡电路，检波电路，调理电路组成，其中振荡电路在电感探头Lz 上产生高频正弦振荡信号，振荡信号幅值的大小与电感探头Lz与超声波电机轴之间的轴 向位移呈线性关系，检波电路检测出振荡信号的幅值通过调理电路得到与超声波电机轴 向位移值呈线性关系的电压信号AD_s。图12为本发明的锁紧机构示意图，锁紧机构10由弹性压片、牵引绳组成，弹性 压片通过牵引绳与超声波电机相连。CAN通讯电路2发送锁紧指令时，锁紧解锁控制器 16输出两路相位差90度的方波电压脉冲至超声波电机驱动电路15进行放大成正弦高压 信号驱动超声波电机13正向转动拉紧牵引绳，迫使弹性压片发生弹性变形压向磁悬浮转 子，当完全压紧时，锁紧微动开关输出低电平至锁紧解锁控制器16，使其停止输出电压 脉冲停止超声波电机13转动。CAN通讯电路2发送解锁指令时，锁紧解锁控制器16输出两路相位差-90度的方波电压脉冲至超声波电机驱动电路15进行放大成正弦高压信号 驱动超声波电机13反向转动松开牵引绳，弹性压片逐渐恢复原形松开磁悬浮转子，当完 全松开时，解锁微动开关输出低电平至锁紧解锁控制器16，使其停止输出电压脉冲使超 声波电机13停转。 本发明可以作为一种通用的磁悬浮控制力矩陀螺框架与锁紧控制系统高精度、 快响应、高可靠控制的平台，提供了充足的硬件资源和丰富的控制程序，应用者可以根 据其应用领域修改软件来灵活方便地实现功能。
权利要求
1.一种磁悬浮控制力矩陀螺框架与锁紧控制系统，其特征在于包括框架力矩电机 (12)、超声波电机(13)、锁紧机构(10)、锁紧传感器电路(11)、DSP+FPGA数控装置 (17)；所述DSP+FPGA数控装置(17)包括CAN通讯电路(2)、指令解析器(3)、框架 控制器(9)、锁紧解锁控制器(16)、框架电机功率驱动电路(14)、超声波电机功率驱动 电路(15)和框架电机传感器电路(5)；所述框架电机传感器电路(5)包括旋转变压器激 磁及轴角解码电路(6)、旋转变压器(8)、电流传感器(7)和A/D采样电路(4)；所述框 架控制器(9)包括角位置环控制器(91)、角速度环控制器(92)和电流环控制器(93)；星 载计算机(1)通过CAN通讯电路(2)向框架控制器(9)和锁紧解锁控制器(16)传送角位 置给定指令信号及锁紧、解锁指令信号；角位置给定指令信号输入指令解析器(3)得到 角速度前馈指令信号和电流前馈指令信号；旋转变压器激磁及轴角解码电路(6)为旋转 变压器(8)提供激磁电源，框架力矩电机(12)带动旋转变压器(8) —起转动，旋转变压 器(8)输出四路与框架力矩电机(12)角位置有关的模拟电压信号至旋转变压器激磁及轴 角解码电路(6)，旋转变压器激磁及轴角解码电路(6)对四路与框架力矩电机(12)角位 置有关的模拟电压信号进行轴角解码，输出框架力矩电机(12)角位置的数字信号和角速 度的模拟信号，电流传感器⑵输出框架力矩电机(12)的相电流模拟信号，角速度的模 拟信号和相电流的模拟信号通过A/D采样电路(4)转换成角速度的数字信号和相电流的 数字信号；角位置给定指令信号与角位置的数字信号相减输入至角位置环控制器(91)进 行控制运算，角位置环控制器(91)的输出信号与角速度前馈指令信号之和与角速度的数 字信号相减输入至角速度环控制器(92)进行控制运算，角速度环控制器(92)的输出信号 与电流前馈指令信号之和与相电流的数字信号相减输入至电流环控制器(93)进行控制运 算，电流环控制器(93)输出的控制量即为PWM脉冲的占空比值，电流环控制器(93)输 出PWM脉冲至框架电机功率驱动电路(14)，框架电机功率驱动电路(14)对PWM脉冲 进行放大、逆变成交流电压信号驱动框架力矩电机(12)转动；锁紧传感器电路(11)对 锁紧机构(10)和超声波电机(13)进行检测，输出锁紧机构状态、温度和轴向位移的电 压信号至锁紧解锁控制器(16)，锁紧解锁控制器(16)输出锁紧机构状态至CAN通讯电 路(2)，并根据温度和轴向位移确定超声波电机(13)的谐振模态，锁紧解锁控制器(16) 对CAN通讯电路(2)输入的锁紧、解锁指令进行判断，如果为锁紧指令，则输出在此谐 振模态下的谐振频率的两路相位差90度的方波电压脉冲至超声波电机驱动电路(15)进行 放大成相位差90度的正弦高压信号，驱动超声波电机(13)正向转动，从而完成锁紧机构 (10)的锁紧；如果为解锁指令，则输出在此谐振模态下的谐振频率的两路相位差-90度 的方波电压脉冲至超声波电机驱动电路(15)进行放大成相位差-90度的正弦高压信号， 驱动超声波电机(13)反向转动，从而完成锁紧机构(10)的解锁。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮控制力矩陀螺框架与锁紧控制系统，其特征在于 所述指令解析器(3)由后向差分、低通滤波器、角速度校正器和加速度至电流校正器组 成；角位置指令经过后向差分后得到含有大量高频噪声的角速度信息，低通滤波器去除 高频噪声，角速度校正器采用串联校正，根据系统控制所要求的幅值余度、相角余度和 截止频率进行超前或滞后校正，以得到合适的角速度前馈指令；角位置指令经过两次后 向差分及低通滤波器后即可得到角加速度前馈指令，加速度至电流校正器将角加速度前 馈指令进行串联校正，并根据角加速度β与电流I的转换公式K^I-T1 = JP得到电流前馈指令，其中K1为电磁转矩系数，T1为负载力矩，J为转动惯量；由于角速度前馈与电 流前馈的使用，提高了框架力矩电机(12)的响应速度。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮控制力矩陀螺框架与锁紧控制系统，其特征在于 所述锁紧机构(10)由弹性压片、牵引绳组成，弹性压片通过牵引绳与超声波电机(13) 相连；锁紧传感器电路(11)由锁紧微动开关、解锁微动开关、温度及轴向位移传感器组 成；CAN通讯电路(2)发送锁紧指令时，锁紧解锁控制器(16)输出两路相位差90度的 方波电压脉冲至超声波电机驱动电路(15)进行放大成正弦高压信号驱动超声波电机(13) 正向转动拉紧牵引绳，迫使弹性压片发生弹性变形压向磁悬浮转子，当完全压紧时，锁 紧微动开关输出低电平至锁紧解锁控制器(16)，使锁紧解锁控制器(16)停止输出电压 脉冲停止超声波电机(13)转动；CAN通讯电路(2)发送解锁指令时，锁紧解锁控制器 (16)输出两路相位差-90度的方波电压脉冲至超声波电机驱动电路(15)进行放大成正弦 高压信号驱动超声波电机(13)反向转动松开牵引绳，弹性压片逐渐恢复原形松开磁悬浮 转子，当完全松开时，解锁微动开关输出低电平至锁紧解锁控制器(16)，使锁紧解锁控 制器(16)停止输出电压脉冲使超声波电机(13)停转，超声波电机(13)在真空中转动时 会产生大量热量使其温度上升从而使其谐振频率发生偏移，而超声波电机(13)轴向压力 的变化也会使其谐振频率发生偏移，如果不对谐振频率进行控制，超声波电机(13)可能 会出现停转甚至毁坏的情况；温度及轴向位移传感器输出超声波电机的温度及轴向位移 值，根据所测的超声波谐振频率值随温度及轴向位移值的变化关系，选择对应的谐振频 率，使超声波电机(13)平稳运行，提高了锁紧机构(10)的可靠性。
全文摘要
一种磁悬浮控制力矩陀螺框架与锁紧控制系统，其主要包括框架力矩电机、锁紧机构、超声波电机、锁紧传感器电路、DSP+FPGA数控装置，其中DSP+FPGA数控装置包括CAN通讯电路、指令解析器、框架控制器、锁紧解锁控制器、框架电机功率驱动电路、超声波电机功率驱动电路、框架电机传感器电路；框架控制器根据CAN通讯电路、指令解析器输出的角位置、角速度、电流指令值及框架电机传感器电路输出的反馈值进行三闭环加两前馈控制，实现了框架力矩电机高精度、快响应控制；锁紧解锁控制器根据锁紧传感器电路输出的温度、轴向位移值选择超声波电机的谐振频率，并根据锁紧、解锁指令分别正、反转超声波电机，完成锁紧机构的锁紧、解锁。
文档编号H02N15/00GK102009597SQ20101053525
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者徐向波, 房建成, 王志强, 薛立娟 申请人:北京航空航天大学