基于DSP的控制力矩陀螺外框驱动制系统设计

[摘 要]：控制力矩陀螺是大型对地观测卫星以及空间站姿态控制系统的关键执行部件，介绍了以TMS320LF2407为核心进行了单框架控制力矩陀螺外框驱动控制系统设计，包括了DSP控制核心及其外围电路、RS-422串行通信接口设计、模拟量输出与位置测角模块硬件设计，以及整个DSP硬件系统控制系统软件设计，并成功地应用于单框架控制力矩陀螺外框驱动控制系统样机。 关键词：单框架控制力矩陀螺 数字信号处理器 姿态控制 l 前言 大型对地观测卫星、宇宙飞船以及空间站等大型航天器的姿态控制需要大的输出力矩。常规航天器姿态控制系统的执行机构有喷管、动量轮、磁力矩器等，输出力矩比较小，无法满足大型航天器姿态控制和快速机动的要求。控制力矩陀螺输出力矩大、力矩平稳、动态响应快、控制线性度好、效率高，因而得到快速发展。根据框架的不同可以将控制力矩陀螺分为单框架和双框架控制力矩陀螺。单框架控制力矩陀螺由定常转速的动量飞轮、支撑飞轮的内框架和外框架组成，控制系统主要包括飞轮控制系统和外框架控制系统。单框架控制力矩陀螺通过框架转动迫使动量飞轮的角动量改变方向，从而实现航天器姿态的调节。陀螺力矩的大小和方向由框架转速矢量与飞轮角动量矢量的叉积决定，飞轮角动量一般比较大，框架输入小的控制力矩使框架转动引起的陀螺力矩垂直于框架转轴，该力矩通过框架轴承直接作用到航天器上，从而可获得较大的控制力矩输出。单框架控制力矩陀螺结构简单且控制精度较高，这是单框架控制力矩陀螺的主要优点。 在航天器姿态机动过程中需要控制力矩陀螺输出大的控制力矩，在航天器稳态运行时要求控制力矩陀螺输出高精度、高平稳性的姿态控制力矩，确保姿态控制精度，为此要求外框架驱动控制系统具有高平稳性和优良的低速性能。控制力矩陀螺外框架驱动控制系统方案主要有步进电机驱动、多级驱动和直接驱动3种。正弦波直接驱动永磁同步电动机系统运行时平稳、力矩波动小、具有更高的动态响应性和低噪音等优点。因此，本文所研究的控制力矩陀螺外框架驱动控制系统采用正弦波驱动永磁同步力矩电机（PMSM）直接驱动方式，实现单框架控制力矩陀螺的外框架转速控制，以获得高稳定度的陀螺反作用力矩。 2 控制力矩陀螺外框架驱动控制系统结构 本控制系统主要完成电机位置检测以及对电机速度控制。系统主要完成以下功能：①初始化，完成开机和复位时的初始化操作；②与上位机进行通讯，接收上位机的控制指令，返回相应控制参数及其相关数据；③采集位置传感器反馈的位置信号；④实现位置伺服控制策略，并将PWM控制信号输出给驱动模块。 为了满足系统的控制性能要求，采用了DSPTMS320LF2407为控制核心，DSP内部结构为哈佛结构，大部分指令能在一个指令周期内完成，独立的数据和程序存储空间，具有高速运算能力。控制器外围电路由与上位机采用422串口通信标准通信模块，与测角系统相连的数据缓冲器等外围电路构成。 测角系统在控制力矩陀螺的控制中起着十分重要的作用，整个控制系统的精度几乎就是由测角系统的精度来决定的。通常的测角系统中常采用的角度传感器主要有光栅、码盘、旋转变压器、感应同步器等。光栅具有很高的精度和较强的抗干扰能力，但是对轴系和光学信号读取装置的机械安装精度要求很高，不易安装调试，而且价格高。码盘的精度一般情况下并不太高，高精度的码盘价格昂贵，旋转变压器与感应同步器抗干扰能力强，两者组合，能组成一个高精度且价格便宜的测角系统。本系统中的测角系统采用了一对极的旋转变压器和360对极感应同步器组合的粗精双通道测角系统。旋转变压器的精度较低，能得到电机的绝对位置。感应同步器的精度较高，为增量式测量电机位置。经过粗精组合后得到电机绝对角位置。美国AD公司的集成轴角转换器AD2S80也为这种测角系统提供了方便。 控制系统采用永磁三相无刷直流同步电机作为执行元件，电机控制采用当前广泛应用的空间电压矢量控制。在众多PWM中，SPWM和SVPWM最具有代表性。SPWM是利用三角载波与正弦调制波进行比较得到的。适合于模拟电路实现，其最大不足是对直流电压利用率低。20世纪80年代中期，发展产生了空间电压矢量PWM。其物理概念清晰，算法简单，适合于数字实现。SVPWM比SPWM对直流电压利用率高15.47％。系统通过DSP输出6路PWM信号经过光耦隔离后输入到电机驱动电路，驱动电路由6个MOSFET组成，每个MOSFET都可以看作一个电子开关，有打开与接通两种状态，通过PWM信号决定MOSFET导通与关断，产生电机驱动信号。控制力矩陀螺外框架控制系统结构见图1。 3 DSP控制系统硬件设计 系统硬件设计主要包含以下功能模块：CPU控制核心及其外围电路，通信模块，位置采集模块，6路PWM驱动信号的快速光耦隔离。 3．1 DSP扩展RAM设计 3．2 串口通信模块设计 RS—422是以差动方式发送和接受，不需要数字地线。差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因，通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响，同时采用双端线传送信号，具有很强的抗干扰能力。该标准允许驱动器的输出为±（2～6）V，接收器可以检测到的输入信号电子可低到200mV。最大传输率可达10Mb／s，传输距离可以很远。 与RS—232相比，RS—422抗干扰能力强，传输速率快，传输距离远，本文串行通信接口标准采用RS—422通信标准。使用TMS320F2407内部的SCI模块与MAX3070EASD组成，通过统一上下位机通讯协议，主要用于系统向上位机反馈运行状态，以及接受上位机发送的控制指令等。DSP控制扩展RAM与串口模块原理框图见图2。 3．3 测角反馈输入模块与电流反馈模块设计 由于感应同步器与旋转变压器同时通过AD2S80A转换出两路16位的数据反馈量，DSP总线只有16位，所以需要分时读取，使用两个单向总线缓冲器SN54AHC16541，将外部数据总线与测角系统数据总线相连，为了总线不冲突，采用地址译码电路进行地址译码和地址分配，本系统外围电路并不复杂，为了下位机的控制电路尽可能做到精小，不采用地址译码，而选用DSP的GPIO 口（IOPF3和IOPF2）来为各外围电路的选通信号。 DSP定时中断采样，读取信息采集模块反馈回的数据。读取数据时，向IOPF2写0，感应同步器16位数据端的总线缓冲器打开，DSP读取数据。读周期完成后向IOPF2写1使缓冲器的输出端为高阻态。同样，向IOPF3写0，旋转变压器16位数据端的总线缓冲器打开，读取数据，完毕后向IOPF3写1。信号采集模块数据读取完成。得到2个16位数字后可以由程序进行粗精组合并采取一定的控制算法进行控制。电流反馈输入模块部分由霍尔传感器与DSP内部AD模块构成，霍尔传感器可以将电流转换为电压，再通过DSP内部的AD转换模块，转换为数字量，通过电流环控制器进行控制。测角反馈输入模块与电流反馈输入模块原理框图如图4所示。 4 控制系统的软件设计 系统上电复位后，先对其进行初始化，完成关闭看门狗，设置PLL时钟，初始化DSP事件管理器与SCI模块，配置GPIO口输入输出模式等操作，再等待控制周期中断以及上位机控制指令到来。系统有两级中断，控制周期中断和串口中断。控制周期中断由DSP内部定时器产生，考虑到DSP的处理速度及串口传输速度的影响，将控制系统的控制采样周期定为1 ms，优先级高于串口中断，即控制周期到来，不管串口的接受，发送是否处理完，都应及时地响应控制周期中断，处理完控制周期后再返回串口中断中继续接受或者发送数据。每个控制周期中，系统完成对其采样及经过PID控制算法计算PWM占空比，并输出。串口中断分为发送与接受中断，发送系统信息给上位机与接受上位机的控制指令。系统软件流程图见图5。 5 实验结果 6 结束语 本文介绍的采用TMS320LF2407芯片为核心的数字控制力矩陀螺控制系统设计已在实验板上调试通过，并应用于工程样机中，TMS－320LF2407先进的内部总线结构及指令执行的高速性，极大地提高了系统的实时性，感应同步器与旋转变压器相结合的测角系统使得系统控制精度提高，整个系统得到满意的控制效果。