一种轻型高精度微小飞轮数字控制系统

摘要

一种轻型高精度微小飞轮数字控制系统，作为一类应用在100Kg以下微小卫星上的姿态控制执行机构，主要由FPGA模块、三相全桥驱动装置、RS-232通信电路、Buck变换器、AD采样电路及信号调理电路、霍尔信号滤波器等组成，其中FPGA模块包括指令解析器、力矩-电流转换器、单神经元自适应PID控制器、PWM脉宽调制器和换相逻辑信号产生器等。本发明采用非线性变换在线修正方法，基于单神经元自适应PID控制算法并以FPGA模块为控制核心构成微小飞轮数字控制系统，采用力矩模式实现了微小卫星姿态控制执行机构的高精度力矩输出，其特点是算法简单易于实现、响应速度快，系统功耗低、可靠性高、设计灵活，提高了微小飞轮功率密度、减小了微小飞轮的质量和体积并降低了成本，特别适合于微小卫星。

主权项

一种轻型高精度微小飞轮数字控制系统，其特征在于包括：上位机(1)、RS‑232通信电路(2)、指令解析器(3)、力矩‑电流转换器(4)、单神经元自适应PID控制器(5)、PWM脉宽调制器(6)、Buck变换器(7)、三相全桥驱动装置(8)、无刷直流电机本体(9)、换相逻辑信号产生器(10)、霍尔信号滤波器(11)、AD采样电路(12)、信号调理电路(13)；FPGA模块包括指令解析器(3)、力矩‑电流转换器(4)、单神经元自适应PID控制器(5)、PWM脉宽调制器(6)和换相逻辑信号产生器(10)；FPGA模块中的指令解析器(3)将通过RS‑232通信电路(2)从上位机(1)接收到的力矩控制指令进行解析得到指令力矩，再经过力矩‑电流转换器(4)转换得到参考电流；无刷直流电机本体(8)上的直流母线电流通过信号调理电路(13)和AD采样电路(12)采样后得到直流母线电流的数字采样值，作为微小飞轮力矩模式电流闭环的反馈值和参考电流作差后经过单神经元自适应PID控制器(5)综合后得到被调制信号值；被调制信号值同时经过PWM脉宽调制器(6)产生PWM控制信号，直接用来控制Buck变换器(7)中开关器件的占空比，以保证Buck变换器(7)输出稳定的直流电压作用在三相全桥驱动装置(8)直流母线上；无刷直流电机本体(9)中的霍尔效应位置传感器产生3路霍尔信号，经过霍尔信号滤波器(11)滤波后输入到换相逻辑信号产生器(10)中根据逻辑换相表产生正反转的换相信号，用于控制三相全桥驱动装置(8)中的三相桥进行正确地换相，进而控制微小飞轮无刷直流电机本体(9)中的U、V、W三相绕组的电流，以实现微小飞轮力矩的高精度输出。