專利名稱：一種機械飛輪高精度控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種機械飛輪高精度控制裝置，用于機械飛輪無刷直流電機的高精度控制，適合于衛(wèi)星高精度姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機構。
背景技術：
現(xiàn)代衛(wèi)星對姿態(tài)控制執(zhí)行機構的精度、壽命和可靠性要求越來越高，而飛輪系統(tǒng)具有不消耗工質、能產(chǎn)生較精確的控制力矩、適于吸收周期性干擾等諸多優(yōu)點，是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行元件，并且飛輪系統(tǒng)控制精度較高，重量輕、功耗低且機動性好，特別適合現(xiàn)代衛(wèi)星的特點，已成為國內(nèi)外高精度衛(wèi)星姿態(tài)控制和機動的主要手段。從結構上看， 飛輪系統(tǒng)可看作一臺慣性矩較大的電機，綜觀國內(nèi)外飛輪用驅動電機，無一例外地使用永磁電機，而無刷直流電機由于采用電子換向裝置，不僅保留了直流電機良好的機械特性、較寬的調(diào)速范圍、良好的啟動特性等優(yōu)點，而且具有交流電機結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，已成為飛輪驅動電機的最佳選擇。
在中國專利“CN1968003”公開的“一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無刷電動機控制系統(tǒng)”、中國專利“CN10117(^95”公開的“一種磁懸浮反作用飛輪電機控制系統(tǒng)”、中國專利“CN101127501”公開的“一種磁懸浮反作用飛輪電機高精度速率模式控制系統(tǒng)”、中國專利“CN101388631”公開的“一種磁懸浮反作用飛輪電機控制系統(tǒng)”和中國專利 “CN101734379A”公開的“一種基于FPGA的微小飛輪高集成度高精度控制系統(tǒng)”中，均采用永磁無刷直流電機并以DSP或者FPGA為控制器，無論是采用速率模式或者力矩模式，還是基于速率補償?shù)牧啬Ｊ剑捎媒?jīng)典的PID算法。PID算法以其結構簡單、可靠性高、易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點仍被廣泛采用，在系統(tǒng)模型參數(shù)變化不大的情況下，PID算法性能優(yōu)良，但是機械飛輪慣性矩較大、易受干擾且具有非線性特性，如機械摩擦、電樞反應、慣性矩和電阻的變化等，難以用精確的數(shù)學表達式來描述其電磁關系，而經(jīng)典的PID算法在力矩輸出動態(tài)響應、穩(wěn)態(tài)精度等方面達不到要求，難以滿足衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)等對力矩輸出精度要求較高的空間應用場合。
為了克服PID算法的弱點，人們開始探索將智能算法與PID算法結合起來，其中在中國專利“CN101727071A”公開的“神經(jīng)網(wǎng)絡模型與二次型單神經(jīng)元PID并行控制方法”中， 采用CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡模型與二次型單神經(jīng)元PID并行控制，由CMAC控制器實現(xiàn)前饋控制，而二次型單神經(jīng)元PID控制實現(xiàn)反饋控制，提高了系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和抗干擾能力；而在中國專利“CN101763035A”公開的“RBF神經(jīng)網(wǎng)絡整定PID與模糊免疫控制方法”中，主回路采用由RBF神經(jīng)網(wǎng)絡整定的PID控制，副回路采用模糊免疫控制，運用到串級控制系統(tǒng)中， 使得系統(tǒng)在過渡過程中幾乎沒有超調(diào)量，系統(tǒng)更穩(wěn)定；但以上方法存在著結構復雜、調(diào)節(jié)困難、隨動性差以及響應遲滯等缺點，而且僅限于理論方法的探討和計算機仿真，并沒有具體的實現(xiàn)方式和實際的工程應用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種機械飛輪高精度控制裝置，將神經(jīng)網(wǎng)絡與免疫PID算法結合，基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法并以主處理器DSP和協(xié)處理器FPGA為控制核心，實現(xiàn)了機械飛輪的高精度力矩輸出。
本發(fā)明的技術解決方案是一種機械飛輪高精度控制裝置，其特點在于包括主處理器DSP模塊、協(xié)處理器FPGA模塊、CAN通信接口、MOSFET三相全橋逆變器、無刷直流電機本體、直流降壓斬波器、信號調(diào)理及AD采樣電路和RC低通濾波器。主處理器DSP模塊用于實現(xiàn)機械飛輪的四象限運行控制、先進控制算法的計算以及與星務計算機之間的實時 CAN通信功能；協(xié)處理器FPGA模塊用于實現(xiàn)AD采樣控制、根據(jù)霍爾信號和邏輯換相表產(chǎn)生正反轉的換相信號，并對控制量進行脈寬調(diào)制；主處理器DSP模塊通過地址總線、控制總線和數(shù)據(jù)總線與協(xié)處理器FPGA模塊進行實時的數(shù)據(jù)交換；協(xié)處理器FPGA模塊首先通過CAN 通信接口從星務計算機接收控制力矩指令，經(jīng)過轉換得到指令電流值；而無刷直流電機本體中的直流母線電流，經(jīng)過信號調(diào)理及AD采樣電路采樣后得到其數(shù)字采樣值，并與指令電流值作差；然后在主處理器DSP模塊中進行基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法計算，得到控制量后，在協(xié)處理器FPGA模塊中經(jīng)過脈寬調(diào)制產(chǎn)生占空比隨時變化的調(diào)制信號，控制直流降壓斬波器中開關器件的占空比，以保證輸出穩(wěn)定的直流電壓作用在MOSFET三相全橋逆變器上。同時，安裝在無刷直流電機本體定子中的霍爾效應位置傳感器產(chǎn)生3路霍爾信號， 經(jīng)過RC低通濾波器濾波后，根據(jù)協(xié)處理器FPGA模塊中的邏輯換相表產(chǎn)生正反轉的換相信號，控制MOSFET三相全橋逆變器進行正確地換相，并調(diào)節(jié)無刷直流電機本體中U、V、W三相繞組的電流，以實現(xiàn)對機械飛輪輸出力矩的高精度控制。
所述的基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法計算得到的控制量為
u(k)(明,轉)))(1+^- +K0-Xk)ζ—Ι ζ
式中，u(k)為當前k時刻的控制量；ΔιιΟΟ為當前k時刻控制量u(k)的變化量， 即Au(k) =u(k)-u(k-l),u(k-l)為當前k時刻的前一時刻控制量；Kp為比例系數(shù)，控制反應速度；ο為穩(wěn)定因子，控制穩(wěn)定效果；f (u(k)，Δu(k))為一選定的非線性函數(shù)，采用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡來實現(xiàn)，其中u(k)、Au(k)為該選定的非線性函數(shù)自變量；ζ為離散因子；KiId分別為積分和微分系數(shù)，均大于零；e(k)為當前k時刻的跟蹤誤差值，即直流母線電流數(shù)字采樣值與指令電流值之差。
所述的離散控制律中穩(wěn)定因子O滿足ο >0，當0< 0f(u(k)，Au(k))彡1時， 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法相當于負反饋；當1 < of(u(k)，Δ u (k))，基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法相當于正反饋。為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定，必須采用負反饋，穩(wěn)定因子 σ必須滿足r ι )
0<a<min -y {u(k\M(k)))
min代表最小值的涵義。
本發(fā)明的原理是本發(fā)明中的一種機械飛輪高精度控制裝置，基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法，以主處理器DSP和協(xié)處理器FPGA為控制核心，其中主處理器DSP模塊用于實現(xiàn)機械飛輪的四象限運行控制、先進控制算法的計算以及與星務計算機之間的實時CAN 通信功能；協(xié)處理器FPGA模塊用于實現(xiàn)AD采樣控制、根據(jù)霍爾信號和邏輯換相表產(chǎn)生正反轉的換相信號，并對控制量進行脈寬調(diào)制；主處理器DSP模塊通過地址總線、控制總線和數(shù)據(jù)總線與協(xié)處理器FPGA模塊進行實時的數(shù)據(jù)交換；協(xié)處理器FPGA模塊首先通過CAN通信接口從星務計算機接收控制力矩指令，經(jīng)過轉換得到指令電流值；而直流母線電流經(jīng)過信號調(diào)理及AD采樣電路采樣后，得到其數(shù)字采樣值，并與指令電流值作差；然后在主處理器 DSP模塊中進行基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法計算，得到控制量后，在協(xié)處理器FPGA模塊中經(jīng)過脈寬調(diào)制產(chǎn)生占空比隨時變化的調(diào)制信號，控制直流降壓斬波器中開關器件的占空比，以保證輸出穩(wěn)定的直流電壓作用在MOSFET三相全橋逆變器上。同時，安裝在無刷直流電機本體定子中的霍爾效應位置傳感器產(chǎn)生3路霍爾信號，經(jīng)過RC低通濾波器濾波后， 根據(jù)協(xié)處理器FPGA模塊中的邏輯換相表產(chǎn)生正反轉的換相信號，控制MOSFET三相全橋逆變器進行正確地換相，并調(diào)節(jié)無刷直流電機本體中U、V、W三相繞組的電流，以實現(xiàn)對機械飛輪輸出力矩的高精度控制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，優(yōu)點在于
(1)相比現(xiàn)有的飛輪電機控制方法，本發(fā)明采用的基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID 算法，兼顧了 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡和免疫PID控制器各自的優(yōu)越性和特點，RBF網(wǎng)絡改善了免疫 PID控制算法在優(yōu)先滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性條件下超調(diào)量大、響應遲滯的缺點，同時在誤差較小范圍內(nèi)用免疫PID算法的自調(diào)節(jié)能力達到了控制精確的目的，并以主處理器DSP和協(xié)處理器 FPGA為控制核心，實現(xiàn)了機械飛輪的高精度力矩輸出。
(2)相比現(xiàn)有的飛輪電機控制裝置，本發(fā)明主處理器DSP模塊用于實現(xiàn)機械飛輪的四象限運行控制、先進控制算法的計算以及與星務計算機之間的實時CAN通信功能；協(xié)處理器FPGA模塊用于實現(xiàn)AD采樣控制、根據(jù)霍爾信號和邏輯換相表產(chǎn)生正反轉的換相信號，并對控制量進行脈寬調(diào)制。該配置充分地發(fā)揮了 DSP的實時運算能力和FPGA并行處理的特點，優(yōu)化了控制系統(tǒng)結構，提高了機械飛輪控制裝置的性能。


圖1為本發(fā)明的一種機械飛輪高精度控制裝置框圖2為本發(fā)明的基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法框圖3為本發(fā)明的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡結構圖4為本發(fā)明主處理器DSP模塊中的DSP電路圖5為本發(fā)明主處理器DSP模塊中的DSP外部存儲器電路圖6為本發(fā)明協(xié)處理器FPGA模塊中的FPGA電路圖7為本發(fā)明協(xié)處理器FPGA模塊中的FPGA外圍配置電路圖8為現(xiàn)有的采用PID算法的機械飛輪力矩響應曲線圖9為本發(fā)明采用的基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法的機械飛輪力矩響應曲線圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明實施例由主處理器DSP模塊1、協(xié)處理器FPGA模塊2、CAN通信接口 3、MOSFET三相全橋逆變器4、無刷直流電機本體5、直流降壓斬波器6、信號調(diào)理及AD 采樣電路7和RC低通濾波器8組成。主處理器DSP模塊1用于實現(xiàn)機械飛輪的四象限運行控制、先進控制算法的計算以及與星務計算機之間的實時CAN通信功能；協(xié)處理器FPGA 模塊2用于實現(xiàn)AD采樣控制、根據(jù)霍爾信號和邏輯換相表產(chǎn)生正反轉的換相信號，并對控制量進行脈寬調(diào)制；主處理器DSP模塊1通過地址總線、控制總線和數(shù)據(jù)總線與協(xié)處理器 FPGA模塊2進行實時的數(shù)據(jù)交換；協(xié)處理器FPGA模塊2首先通過CAN通信接口 3從星務計算機接收控制力矩指令，經(jīng)過轉換得到指令電流值；而無刷直流電機本體5中的直流母線電流，經(jīng)過信號調(diào)理及AD采樣電路7采樣后得到其數(shù)字采樣值，并與指令電流值作差； 然后在主處理器DSP模塊1中經(jīng)過基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法計算，得到控制量后， 在協(xié)處理器FPGA模塊2中經(jīng)過脈寬調(diào)制產(chǎn)生占空比隨時變化的調(diào)制信號，控制直流降壓斬波器6中開關器件的占空比，以保證輸出穩(wěn)定的直流電壓作用在MOSFET三相全橋逆變器4 上；而安裝在無刷直流電機本體5中的霍爾效應位置傳感器產(chǎn)生3路霍爾信號，經(jīng)過RC低通濾波器8濾波后，根據(jù)協(xié)處理器FPGA模塊2中的邏輯換相表產(chǎn)生正反轉的換相信號，控制MOSFET三相全橋逆變器4進行正確地換相，并調(diào)節(jié)無刷直流電機本體5中U、V、W三相繞組的電流，以實現(xiàn)對機械飛輪輸出力矩的高精度控制。
如圖2所示，本實施例所采用的基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法為令比例系數(shù)Kp = 0. 2，積分系數(shù)K1 = 0. 03，微分系數(shù)Kd = 0. 0002,穩(wěn)定因子ο = 0.0025，則基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法計算得到的控制量可表示為
權利要求
1.一種機械飛輪高精度控制裝置，其特征在于包括主處理器DSP模塊(1)、協(xié)處理器 FPGA模塊( 、CAN通信接口( 、MOSFET三相全橋逆變器(4)、無刷直流電機本體(5)、直流降壓斬波器(6)、信號調(diào)理及AD采樣電路(7)和RC低通濾波器(8)；主處理器DSP模塊 (1)用于實現(xiàn)機械飛輪的四象限運行控制、先進控制算法的計算以及與星務計算機之間的實時CAN通信功能；協(xié)處理器FPGA模塊(2)用于實現(xiàn)AD采樣控制、根據(jù)霍爾信號和邏輯換相表產(chǎn)生正反轉的換相信號，并對控制量進行脈寬調(diào)制；主處理器DSP模塊(1)通過地址總線、控制總線和數(shù)據(jù)總線與協(xié)處理器FPGA模塊(2)進行實時的數(shù)據(jù)交換；協(xié)處理器FPGA模塊( 首先通過CAN通信接口( 從星務計算機接收控制力矩指令，經(jīng)過轉換得到指令電流值；無刷直流電機本體(5)中的直流母線電流，經(jīng)過信號調(diào)理及AD采樣電路(7)采樣后得到數(shù)字采樣值，并與指令電流值作差；然后在主處理器DSP模塊(1)中進行基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法計算，得到控制量后，在協(xié)處理器FPGA模塊O)中經(jīng)過脈寬調(diào)制產(chǎn)生占空比隨時變化的調(diào)制信號，控制直流降壓斬波器(6)中開關器件的占空比，以保證有穩(wěn)定的直流電壓作用在MOSFET三相全橋逆變器(4)上；同時，無刷直流電機本體(5)中的霍爾效應位置傳感器產(chǎn)生3路霍爾信號，經(jīng)過RC低通濾波器(8)濾波后，根據(jù)協(xié)處理器FPGA 模塊( 中的邏輯換相表產(chǎn)生正反轉的換相信號，控制MOSFET三相全橋逆變器(4)進行正確地換相，并調(diào)節(jié)無刷直流電機本體( 中U、V、W三相繞組電流，以實現(xiàn)對機械飛輪輸出力矩的高精度控制；所述的基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID算法計算得到的控制量為
2.根據(jù)權利要求1所述的機械飛輪高精度控制裝置，其特征在于所述穩(wěn)定因子σ滿足
全文摘要
一種機械飛輪高精度控制裝置，由主處理器DSP模塊、協(xié)處理器FPGA模塊、CAN通信接口、MOSFET三相全橋逆變器、無刷直流電機本體、直流降壓斬波器、信號調(diào)理及AD采樣電路和RC低通濾波器構成。其中主處理器DSP模塊主要完成機械飛輪無刷直流電機的四象限運行控制、先進控制算法的計算以及與星務計算機之間的實時CAN通信功能；協(xié)處理器FPGA模塊主要完成AD采樣控制、根據(jù)霍爾信號和邏輯換相表產(chǎn)生正反轉的換相信號以及對控制量進行脈寬調(diào)制。本發(fā)明以主處理器DSP和協(xié)處理器FPGA為控制核心，具備較強的運算能力和較高的通信速度，實現(xiàn)了與星務計算機之間的實時通信，而基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的免疫PID控制器設計則實現(xiàn)了機械飛輪的高精度力矩輸出，提高了機械飛輪的控制精度。
文檔編號H02P21/00GK102497148SQ201110372430
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月20日 優(yōu)先權日2011年11月20日
發(fā)明者劉剛, 張聰, 李光軍 申請人:北京航空航天大學