陀螺飞轮控制系统硬件设计与实现

发布时间：2020-11-12 05:28

　　 随着航天技术的发展、航天任务的多样化,微小航天器的应用越来越广泛,在保证航天器性能的前提下减小体积与质量就成为当前研究热点,陀螺飞轮这种集成了传感器和执行器的新型姿态控制元件就有了广阔的应用前景。本文针对陀螺飞轮的实验研究和应用的需求,设计并实现了陀螺飞轮控制系统的硬件部分,包括电流精密测量模块、飞轮调速驱动模块和数据采集通信模块。首先,本文分析了主要硬件模块的工作原理。提出了精密电阻采样法和电流/频率转换法两种电流精密测量方案,并分析了主要误差来源。确定了基于锁相环的飞轮驱动控制系统,为使锁相环控制器更接近线性环节设计了10状态的鉴频鉴相器。采用EtherCAT工业以太网总线传输数据,在节省ISA总线板卡的同时保证了数据通信的实时性。其次,设计实现了电流精密测量系统的硬件电路。精密电阻采样法利用电阻网络减小采样电阻温漂,通过自校准技术补偿失调误差;对电流/频率转换法进行改进,增加A/D转换器采集积分电容电压,提高了系统测量精度和分辨率。实验证明精密电阻法测量误差小于1.5*10-4安培,电流/频率转换法测量误差小于4*10-4安培。然后,设计并实现了飞轮驱动硬件电路。除了在软件中设置电路保护模块外,额外通过硬件电路实现了母线过流保护、过压保护和泵升电压保护的功能,保证了驱动电路运行的可靠性。实验结果显示系统稳速精度为0.04%,且可以很好的跟踪阶跃信号和斜坡信号。最后,设计并实现了基于EtherCAT的数据采集通信电路。根据系统需求设计了由模拟开关、A/D转换器、D/A转换器组成的数据采集输出模块,利用Nios II软核在FPGA中实现了EtherCAT从站。对采集和输出的数据进行分析,证明了通信系统具有实时性和可靠性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V441
【部分图文】：

图 1-1 巨磁电阻阻值与磁场强度关系中 R RH/0为材料电阻与磁场强度H为零时电阻的比值； Hs表示曲线接近饱和时的磁场强度。巨磁电阻在没有磁场时阻值最大者负向增大时，巨磁电阻的电阻值均减小，通过测量巨磁电阻阻电流。这个方法还没完全成熟，对巨磁电阻的磁场—阻值特性曲精确，并且对位置变化极为敏感，实验室条件下测量精度在 1也没有大量应用与实际工程中。但是巨磁电阻对磁场强度的高度良特性有很好的应用前景，随着大量实验的进行，巨磁电阻的磁曲线的描述会越来越精确，实际工业中的测量精度也会越来越霍尔效应法一样称为工业上最常用的电流测量方法[15]。实际应用中，由于测量环境复杂多变，噪声干扰无法避免，而且种多样，所以电阻采样法这类需要针对被测信号特性进行设计的大限制，而霍尔效应法便于携带、和被测系统之间没有干扰，在应用也更广泛。但是在被测系统确定时，电阻采样法和电流/频量精度要远远高于霍尔效应法，更能满足精密测量的需求。

图 2-16 校正后系统的开环 Bode 图由图 2-16 可知，在增加环路滤波器和超前环节后，系统动态性能得到了很大的改善，相角裕度变为 55.1°，幅值裕度也增加到了 18.7dB。同时，因为增加了环路滤波器，系统带宽内的噪声也得到了很好的抑制，增强了系统的抗干扰能力，提高了系统的跟踪精度。2.2.4 基于锁相环的电机控制系统仿真分析对锁相环系统各环节参数进行设计后，利用 Sinulink 搭建仿真框图，系统仿真框图如图 2-17 所示。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文机搭建了 PFD10 模块，用于模拟十状态鉴频鉴相器的工作。鉴频鉴相着参考信号和反馈信号脉冲上升沿进行切换，根据当前状态输出 0、V 电压值，经过环路滤波器和超前环节处理后作为电机模块的控制电位置传感器模块需要将速度信号转换成脉冲信号，实现原理如下：电馈的转速信号积分得到电机位置信号，将电机位置信号除以 2π/15 后产生一个锯齿波。锯齿波再与π/15 进行比较，锯齿波大于π/15 时输π/15 时输出 0。这样就模拟无刷直流电机的位置传感器，将电机的转换成了脉冲信号，且电机每转一个机械周期，输出 15 个脉冲信号。该mulink 框图如图 2242 所示。
【参考文献】

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本文编号：2880310