專(zhuān)利名稱(chēng):一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng),用于對(duì)微小衛(wèi)星主動(dòng)姿態(tài)控制用微小飛輪的高精度控制,特別適合于對(duì)體積重量、功耗和力矩精度有較高要求的空間應(yīng)用場(chǎng)合。
背景技術(shù):
按衛(wèi)星的質(zhì)量劃分,一般將IOOOkg以下的衛(wèi)星稱(chēng)為小衛(wèi)星?,F(xiàn)代小衛(wèi)星具有許多大型衛(wèi)星不可比擬的優(yōu)點(diǎn),如體積小、重量輕、研制和發(fā)射成本低、研制周期短,在空間軌道上可布置較多的數(shù)量以作備份,提供更大的冗余。小衛(wèi)星還具有高新技術(shù)含量高、技術(shù)集成度高和功能密度大等特點(diǎn),已成為最活躍、最富于挑戰(zhàn)性和具有廣闊商業(yè)前景的空間技術(shù)領(lǐng)域,也是21世紀(jì)衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。而微小衛(wèi)星作為小衛(wèi)星家族中的一員,具有小衛(wèi)星的共性特點(diǎn),更適合科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)和大學(xué)教學(xué),也可以組成低軌道衛(wèi)星星座。此外, 微小衛(wèi)星的另一個(gè)突出特點(diǎn)是技術(shù)擴(kuò)展性強(qiáng),從微小衛(wèi)星這一技術(shù)平臺(tái)出發(fā),可進(jìn)一步向微小化發(fā)展而研制納衛(wèi)星;或向多用途化發(fā)展而研制小衛(wèi)星;或向集群化發(fā)展而研制微小衛(wèi)星星座;還可以向深空探測(cè)發(fā)展而研制小型深空探測(cè)器。輕型高精度姿態(tài)控制系統(tǒng)的研制作為現(xiàn)代微小衛(wèi)星研制的關(guān)鍵技術(shù),業(yè)已受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。目前采用的方案主要以重力梯度穩(wěn)定、主動(dòng)磁控加一個(gè)偏置動(dòng)量輪作為姿態(tài)控制的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。微小飛輪作為一類(lèi)應(yīng)用在IOOkg以下微小衛(wèi)星上的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),可以提高衛(wèi)星功率密度、減輕衛(wèi)星的質(zhì)量、減小衛(wèi)星的體積并降低發(fā)射成本,適合微小衛(wèi)星“快、好、省”的原則?,F(xiàn)有的基于數(shù)字實(shí)現(xiàn)的飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)中在中國(guó)專(zhuān)利“CN101800505A”公開(kāi)的“一種磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速控制方法”中,采用光電碼盤(pán)利用M/T法進(jìn)行測(cè)速,并對(duì)轉(zhuǎn)速反饋值進(jìn)行模糊自適應(yīng)kalman濾波,具有較高的測(cè)速精度;而在中國(guó)專(zhuān)利“CN101127501”公開(kāi)的“一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)高精度速率模式控制系統(tǒng)”中,以DSP為控制核心,低速時(shí)采用增量式軸角編碼器測(cè)速,高速時(shí)采用霍爾效應(yīng)位置傳感器測(cè)速,實(shí)現(xiàn)了磁懸浮反作用飛輪電機(jī)的高精度速率模式控制。但這兩種控制系統(tǒng)都需要高精度的測(cè)速裝置光電碼盤(pán), 受限于光源的壽命以及增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和體積重量,難以滿足微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的應(yīng)用需要。在中國(guó)專(zhuān)利“CN101388631”公開(kāi)的“一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)”中,采用Cuk升降壓變換器和三相星型半橋,并經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)進(jìn)行控制,一定程度上改善了系統(tǒng)動(dòng)態(tài);但其采用霍爾位置傳感器,難以得到高精度的轉(zhuǎn)速信息,而且三相星型半橋降低了繞組效率并導(dǎo)致?lián)Q相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大,影響了力矩輸出精度。在中國(guó)專(zhuān)利“CN1968003”公開(kāi)的“一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)”中,采用FPGA系統(tǒng)進(jìn)行位置、速度、電流三環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)了直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制器的集成化、低功耗,但其通過(guò)三閉環(huán)控制算法直接控制電機(jī)的位置,經(jīng)過(guò)位置、速度閉環(huán)算法才能得到電機(jī)控制所需要的參考電流,響應(yīng)速度較慢,并不適合飛輪這種工作在高速并通過(guò)變速來(lái)實(shí)現(xiàn)力矩輸出的應(yīng)用場(chǎng)合。而在中國(guó)專(zhuān)利“CN101734379A”公開(kāi)的“一種基于FPGA的微小飛輪高集成度高精度控制系統(tǒng)”中,采用速率補(bǔ)償?shù)牧啬J娇刂品椒?,通過(guò)力矩補(bǔ)償器將速率指令值與位置檢測(cè)裝置的速率反饋值比較綜合得到補(bǔ)償力矩,但其位置檢測(cè)裝置仍然采用霍爾傳感器,無(wú)法得到高精度的速率反饋值,而且其力矩指令需經(jīng)過(guò)積分再乘以1/J才能得到速率指令值,需要準(zhǔn)確地知道飛輪轉(zhuǎn)子的慣性矩J,而J值往往不易準(zhǔn)確測(cè)得。另外,在中國(guó)專(zhuān)利“CN102023652A”公開(kāi)的“水箱液位控制器”中,采用單神經(jīng)自適應(yīng)PID控制器,輸出幾乎沒(méi)有超調(diào),過(guò)渡時(shí)間短,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快;在中國(guó)專(zhuān)利“CN101673119”公開(kāi)的“一種控制織機(jī)送經(jīng)卷取過(guò)程中經(jīng)紗張力穩(wěn)定的方法”中,基于主控制器PLC采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法在SAURER400型劍桿織機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),取得了良好的控制效果。但在這兩種單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法的工程應(yīng)用中,當(dāng)設(shè)定的神經(jīng)元增益較小時(shí),系統(tǒng)響應(yīng)慢, 超調(diào)量減?。划?dāng)設(shè)定的神經(jīng)元增益較大時(shí),系統(tǒng)響應(yīng)快,但是超調(diào)量增大,調(diào)整時(shí)間變長(zhǎng),因此在工程應(yīng)用之前需要經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)來(lái)確定較優(yōu)的神經(jīng)元增益,未能真正地實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的功能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,提供一種采用非線性變換在線修正方法,基于改進(jìn)的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器并以FPGA模塊為控制核心的輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了微小衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高精度力矩輸出。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng),其特點(diǎn)在于包括上位機(jī)、RS-232通信電路、指令解析器、力矩-電流轉(zhuǎn)換器、單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器、PWM脈寬調(diào)制器、Buck變換器、三相全橋驅(qū)動(dòng)裝置、無(wú)刷直流電機(jī)本體、換相邏輯信號(hào)產(chǎn)生器、霍爾信號(hào)濾波器、AD采樣電路和信號(hào)調(diào)理電路。FPGA模塊包括指令解析器、力矩-電流轉(zhuǎn)換器、單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器、PWM脈寬調(diào)制器和換相邏輯信號(hào)產(chǎn)生器等。FPGA模塊中的指令解析器將通過(guò)RS-232通信電路從上位機(jī)接收到的力矩控制指令進(jìn)行解析得到指令力矩值,經(jīng)過(guò)力矩-電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到指令電流值;無(wú)刷直流電機(jī)本體上的直流母線電流通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路和AD采樣電路采樣后得到直流母線電流的數(shù)字采樣值,作為微小飛輪力矩模式電流閉環(huán)的反饋值與指令電流值作差后,經(jīng)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器綜合后得到被調(diào)制信號(hào)值;被調(diào)制信號(hào)值經(jīng)過(guò)PWM脈寬調(diào)制器后產(chǎn)生PWM控制信號(hào),直接用來(lái)控制Buck變換器中開(kāi)關(guān)器件的占空比,以保證Buck變換器輸出穩(wěn)定的直流電壓作用在三相全橋驅(qū)動(dòng)裝置直流母線上;無(wú)刷直流電機(jī)本體中的霍爾效應(yīng)位置傳感器產(chǎn)生3路霍爾信號(hào),經(jīng)過(guò)霍爾信號(hào)濾波器濾波后輸入到換相邏輯信號(hào)產(chǎn)生器中根據(jù)邏輯換相表產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)的換相信號(hào),用于控制三相全橋驅(qū)動(dòng)裝置中的三相橋進(jìn)行正確地?fù)Q相,進(jìn)而控制微小飛輪無(wú)刷直流電機(jī)本體中U、V、W三相繞組的電流,以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小飛輪力矩的高精度輸出。所述的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器離散控制律為
權(quán)利要求
1.一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng),其特征在于包括上位機(jī)(l)、RS-232通信電路O)、指令解析器(3)、力矩-電流轉(zhuǎn)換器G)、單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器(5)、PWM脈寬調(diào)制器(6)、Buck變換器(7)、三相全橋驅(qū)動(dòng)裝置(8)、無(wú)刷直流電機(jī)本體(9)、換相邏輯信號(hào)產(chǎn)生器(10)、霍爾信號(hào)濾波器(11)、AD采樣電路(12)、信號(hào)調(diào)理電路(13) ;FPGA模塊包括指令解析器( 、力矩-電流轉(zhuǎn)換器(4)、單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器( 、PWM脈寬調(diào)制器(6)和換相邏輯信號(hào)產(chǎn)生器(10) ;FPGA模塊中的指令解析器(3)將通過(guò)RS-232通信電路( 從上位機(jī)(1)接收到的力矩控制指令進(jìn)行解析得到指令力矩,再經(jīng)過(guò)力矩-電流轉(zhuǎn)換器(4)轉(zhuǎn)換得到參考電流;無(wú)刷直流電機(jī)本體(8)上的直流母線電流通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路(13)和AD采樣電路(12)采樣后得到直流母線電流的數(shù)字采樣值,作為微小飛輪力矩模式電流閉環(huán)的反饋值和參考電流作差后經(jīng)過(guò)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器( 綜合后得到被調(diào)制信號(hào)值;被調(diào)制信號(hào)值同時(shí)經(jīng)過(guò)PWM脈寬調(diào)制器(6)產(chǎn)生PWM控制信號(hào),直接用來(lái)控制 Buck變換器(7)中開(kāi)關(guān)器件的占空比,以保證Buck變換器(7)輸出穩(wěn)定的直流電壓作用在三相全橋驅(qū)動(dòng)裝置(8)直流母線上;無(wú)刷直流電機(jī)本體(9)中的霍爾效應(yīng)位置傳感器產(chǎn)生3路霍爾信號(hào),經(jīng)過(guò)霍爾信號(hào)濾波器(11)濾波后輸入到換相邏輯信號(hào)產(chǎn)生器(10)中根據(jù)邏輯換相表產(chǎn)生正反轉(zhuǎn)的換相信號(hào),用于控制三相全橋驅(qū)動(dòng)裝置(8)中的三相橋進(jìn)行正確地?fù)Q相,進(jìn)而控制微小飛輪無(wú)刷直流電機(jī)本體(9)中的U、V、W三相繞組的電流,以實(shí)現(xiàn)微小飛輪力矩的高精度輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng),其特征在于所述的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器( 離散控制律為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng),其特征在于所述的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器(5)離散控制律中神經(jīng)元增益Ku(k)采用如下的非線性變換在線修正方法
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng),其特征在于所述的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器( 離散控制律中權(quán)值W' i(k)的學(xué)習(xí)算法為W1 (k)-wx{k-i)+I^e(Ji)U(Ji)Xl {k)W2 (k)-w2{k-X)+^e{k)u{k)x2 {k)< W3 (k) = -1) + t]De(k)u(k)x3 (k)( 3 )^) = ^(^)/2^(4(/ = 1,2,3)式中,I,η ρ, nD分別為積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率,而PID參數(shù)的學(xué)習(xí)修正主要與e(k)與Ae(k)有關(guān),基于此可將權(quán)值i(k)學(xué)習(xí)修正部分進(jìn)行修改,即令X1 (k)= X2 (k) = X3 (k) = e(k) + Ae(k),其中Δ e (k)為當(dāng)前k時(shí)刻誤差e(k)的變化量,即Δ e (k) = e(k)-e (k-1) ;M Wi (k)為當(dāng)前1^時(shí)刻神經(jīng)元狀態(tài)的加權(quán)系數(shù),其中巧(10、 (10、%(10分別為當(dāng)前k時(shí)刻神經(jīng)元狀態(tài)X1 (k)、X2 (k)、X3 (k)的加權(quán)系數(shù),W1 (k-1)、W2 (k-1)、W3 (k-1)分別為當(dāng)前k時(shí)刻前一時(shí)刻的神經(jīng)元狀態(tài)X1 (k)、x2 (k)、X3 (k)的加權(quán)系數(shù)。
全文摘要
一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng),作為一類(lèi)應(yīng)用在100Kg以下微小衛(wèi)星上的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),主要由FPGA模塊、三相全橋驅(qū)動(dòng)裝置、RS-232通信電路、Buck變換器、AD采樣電路及信號(hào)調(diào)理電路、霍爾信號(hào)濾波器等組成,其中FPGA模塊包括指令解析器、力矩-電流轉(zhuǎn)換器、單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器、PWM脈寬調(diào)制器和換相邏輯信號(hào)產(chǎn)生器等。本發(fā)明采用非線性變換在線修正方法,基于單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法并以FPGA模塊為控制核心構(gòu)成微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng),采用力矩模式實(shí)現(xiàn)了微小衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高精度力矩輸出,其特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)、響應(yīng)速度快,系統(tǒng)功耗低、可靠性高、設(shè)計(jì)靈活,提高了微小飛輪功率密度、減小了微小飛輪的質(zhì)量和體積并降低了成本,特別適合于微小衛(wèi)星。
文檔編號(hào)H02P6/14GK102437802SQ201110316528
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者劉剛, 張聰, 李光軍 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)