专利名称：一种卫星天线指向机构数字控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种卫星天线指向机构数字控制系统，该系统具有高集成度、小体积、
低功耗、高可靠性的优点，适用于卫星天线高精度指向控制。
背景技术：
指向机构是卫星天线的运动执行机构，在整星系统中占有重要的地位。目前随着我国大型通信卫星、中继卫星技术的发展，对卫星天线指向机构数字控制系统的精度、寿命、可靠性方面提出了更高的要求。因此，设计一种具有高精度、高集成度、高可靠性的指向机构数字控制系统迫在眉睫。国内的不少单位对指向机构技术的发展进行了许多有益的探索，有的方案已经实现了工程化，甚至是产品化。目前已有的控制系统基于单片机，但由于单片机的运算速率低、计算位数少，可以实现的功能非常有限，越来越难满足未来指向机构控制系统的发展要求。而基于DSP+FPGA的数字控制系统，因为增加了控制芯片、配置芯片和大量的存储芯片，使得系统的可靠性下降且系统功耗也随之增大。单片FPGA—般适合于控制逻辑的搭建，而运算能力却非常有限，难以实现复杂的运算。而且，现有的数字控制器只能作为电机驱动的控制器，还需要专门的位置检测模块和芯片，不能做到位置检测传感器和控制器的集合。
发明内容
本发明解决的技术问题是克服现有技术不足，提供一种集成度高、体积和功耗低，且能保证较高指向精度的的卫星天线指向机构的数字控制系统。 本发明的技术解决方案一种卫星天线指向机构数字控制系统，其特征在于包括二次电源变换模块、功率模块、三相绕组检测电路、同步电机、旋转变压器、检测电路、霍尔效应转子位置传感器、激磁模块、解码模块、星载28V电源、电源转换芯片、P丽驱动电路、DSP控制器、通信模块；星载28V电源通过二次电源变换模块和电源转换芯片得到DSP控制器外设和内核所需要电源，及通信模块、激磁模块、解码模块所需要的电源；同时星载28V
电源经过二次电源模块给功率模块供电；同步电机输出轴与旋转变压器转子同轴安装；同步电机的转子位置信号经过霍尔效应转子位置传感器送入DSP控制器中；在三相绕组检测电路中调制成0 3V，将电阻电压通过检测电路，输入到DSP控制器中，转化为绕组电流信号；工作时首先上位机通过通信模块给DSP控制器发送位置指令，与此同时DSP控制器输出两路频率恒定、相位相差180度且按正半周期正弦规律变化的P丽波，两路信号经过激磁模块的滤波、整流和差动放大后，输出频率恒定，幅值正弦规律变化的激磁信号送入旋转变压器；旋转变压器感应出两路粗级和两路精级信号其中由粗级线圈感应出的输出电压信号为粗级信号，由精级线圈感应出的电压信号为精级信号，这四路信号经过解码模块滤波、整形、AD转换后送入DSP控制器，然后由DSP控制器经过滤波、解算、补偿、纠错后得到最终的输出轴位置信号；DSP控制器将接收到的上位机发出位置指令和解算得到的输出轴位置进行比对，当输出轴位置等于上位机给定的位置指令时，DSP控制器没有P丽信号输出，P丽驱动电路和功率模块不工作；当输出轴位置偏离上位机指令位置时，DSP控制器通过霍尔效
应转子位置传感器得到的同步电机转子位置信号，结合三相绕组电流检测电路测得的三相
绕组电流，经过电机矢量控制解算得到六路P丽驱动信号，输出到P丽驱动电路和功率模块
驱动电机工作，完成同步电机矢量控制电流闭环和输出轴位置信号的位置闭环控制，控制
卫星天线指向机构的高精度运行。 本发明与现有技术相比的优点在于 (1)本发明通过单片DSP控制器与其它相关器件配合完成了位置检测和电机驱动
地功能。而其他控制方式只能实现电机驱动，还需要辅助位置检测芯片和外围电路，与之相
比，本发明集成度大大提高，使得控制系统的体积和功耗都大大减少，降低了控制器功耗，
且能保证较高的指向精度，特别适用于航空航天等对功耗有严格要求的领域。
(2)本发明利用DSP控制器高精度P丽、高精度转换芯片和软件解码方法，实现了
鉴幅式角位置测角。减少了硬件电路的数量和规模，并保证了解码精度。
(3)本发明采用的是鉴幅式角位置测角方法，这种测角方法对控制系统波形质量
有着很高的要求。为了提高输入到旋转变压器激磁波形的质量，DSP控制器给激磁信号输
出最高优先级别，且采用高精度P丽输出。为了获取较高的解码精度，选用位数高的AD转
换芯片，并采用硬件滤波电路补偿方法，通过鉴幅式轴角解码方法得到最终的位置信号，且
保证了位置信号的精度。 (4)本发明由于将位置检测与电机驱动功能集成，大大减少了芯片数量和电路的规模，且电机驱动采用中心对称的六路P丽波，减少了系统开关损耗，从而使得本发明的体积和低功耗更进一步减小。 (5)与现有控制方式相比，由于DSP控制器具有150MHz的指令周期且采用浮点运算，因此具有更高的运算速度和精度。
图l为本发明的原理图；图2为本发明的电机定子示意图；图3为本发明的九个霍尔为例时电角度空间划分示意4为本发明的旋转变压器激磁电路图；图5为本发明的旋转变压器激磁波形图；图6为本发明鉴幅式轴角解码电路中的精级两路电路7为本发明鉴幅式轴角解码原理实现流程图；图8为正弦波永磁同步电机SVP丽扇区判断图；图9为本发明控制系统工作流程概况图；图10为本发明三相绕组电流检测电路；图11为本发明的DSP控制器与外界接口电路。
具体实施例方式
如图1所示，本发明采用星载28V电源11供电，星载28V电源11通过二次电源变换模块2和电源转换芯片12得到DSP控制器外设和内核所需要的+3. 3V和+1. 9V电源
4和通讯模块15、激磁模块9、解码模块10所需要的+5V、 +12V、 ±5V、 ±12V电源；保护电路1与二次电源模块2连接，用于防止电流过大，保护电路；二次电源模块2与功率模块3电源转化芯片12相连，分别用于给功率模块3和DSP控制器14供电；从DSP控制器14输出的P丽激磁信号通过激磁模块9送入旋转变压器6中，从旋转变压器6输出受激信号再通过解码模块10返回到DSP控制器14中，完成输出轴位置的解算；DSP控制器14通过通信模块15读取上位机的位置指令；同步电机5的转子位置信号，经过霍尔效应转子位置传感器8，将转子位置信息送入DSP控制其中；为了得到三相绕组电流，通过在三相绕组中串电阻检测的方法，将电阻电压通过检测电路7，在三相绕组检测电路4中调制成(T3V，输入到DSP控制器14中，转化为绕组电流信号；DSP控制器14通过P丽驱动电路13输出到功率模块3中驱动电机工作；为了使得输出轴位置即是指向机构输出位置，必须使得同步电机5输出轴与旋转变压器6转子轴同轴安装。具体的工作流程为首先上位机通过通信模块15给DSP控制器14发送位置指令。与此同时，DSP控制器14输出两路频率恒定、相位相差180度且按正半周期正弦规律变化的P丽波，两路信号经过激磁模块9的滤波、整流和差动放大后，输出频率恒定，幅值正弦规律变化的激磁信号送入旋转变压器6。旋转变压器6感应出两路粗级和两路精级信号，其中粗级信号由旋转变压器的粗级线圈输出，两路精级信号为精级线圈输出，这四路信号经过解码模块10模块滤波、整形、AD转换后送入DSP控制器14，然后经过解算、补偿、纠错后得到最终的输出轴位置信号，即对粗级和精级信号进行二项式拟合运算，分别求取粗级和精级位置，再对粗级和精级位置进行纠错、补偿，得到最终位置信号，其解算原理和过程描述如图7所述。DSP控制器14将接受到位置指令和解算得到的输出轴位置进行比对，当输出轴位置等于上位机给定的位置指令时，DSP控制器14没有P丽信号输出，P丽驱动电路13和功率模块3不工作。当输出轴位置偏离上位机指令位置时，DSP控制器14通过霍尔效应转子位置传感器8得到的同步电机5转子位置信号，结合三相绕组电流检测电路4测得的三相绕组电流，通过电机矢量控制方法，实现卫星天线指向机构的高精度控制。 如图2所示，本发明所使用的霍尔效应转子位置传感器8在满足精度要求和安装方便的情况下选为九个，同步电机5采用八对极、无齿槽无铁芯的空心杯形绕组定子结构，易于安装九个霍尔效应转子位置传感器。在电机定子360。电角度上均匀放置九个霍尔效应转子位置传感器，用来提供同步电机5转子位置信号。 如图3所示为电机定子九个霍尔传感器时，在一个电角度周期内空间的划分情况。图中相邻的两个霍尔信号电角度相位相差二十度，其中高电平用i表示，低电平用o表示，则的九个上升沿将整个周期划分为九个区间。本发明同步电机5使用九个霍尔传感器、八对极磁钢，霍尔传感器呈成40。电角度分布，则整个360。机械角度内，则共可以划分成为144个电角度空间，每个区间代表2.5° 。 如图4所示为旋转变压器6激磁电路图，它是连接DSP控制器14和旋转变压器的激磁模块9。其中，P丽7和P丽8为DSP控制器14输出的恒频P丽信号，再经过激磁模块9生成恒频正弦信号，送给FX0041，最后输出到旋转变压器6中。 如图5所示为旋转变压器6激磁波形图。旋转变压器由转子和定子组成，并且相互独立，粗级(初级)和精级(次级)线圈都绕在定子上，转子由两组相差90。线圈组成。其输出电压随转子转角变化成一定函数关系的信号元件，当励磁绕组以一定频率交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子成正弦、余弦函数关系。其中由粗级线圈感应出的输出电压信号为粗级信号，由精级线圈感应出的电压信号为精级信号。得到两路信号后对信号进行解算。用正旋信号除以余旋信号得到正切信号。对正切信号求取反正切，得到粗级和精级角度值。对粗级角度进行取整，精级角度除以32(因为每转一圈精级转32圈)，把粗精级角度相加得到转子的位置信号。把信号中偏差太大的点进行补偿得到可用的转子位置信号。图5反映了从DSP控制器14输出的P丽激磁信号到输入到旋转变压器6正弦信号的变化过程。其中，为了提高信号质量DSP控制器14给予激磁信号输出高的优先级别，且采用TMS320F28335中高精度P丽输出模块，输出两路按正半周期正弦规律变化的P丽信号16，经过差动后得到正弦规律变化的P丽波形17，再经过激磁模块9的滤波、整形得到激磁频率恒定的正弦波形18。 如图6所示为本发明鉴幅式轴角解码电路中的精级两路电路图。它代表从旋转变压器6到DSP控制器14的解码模块10的精级部分电路。其中FS_SIN，FS_C0S为从精级两路输出的信号，经过阻容滤波后通过AD转换芯片AD976，并根据其时序逻辑，通过32位数据线发送给DSP控制器14。 如图7所示为鉴幅式轴角解码原理实现流程图，旋转变压器6精级两路和粗级两路信号经过整形后分别得到按正弦、余弦规律变化的波形，其幅值变化速率由输出轴的运动速率决定。其中，精级正弦波形20的变化规律为sin(32.幼r + ^).sinOr)，精级余弦波形
19为sin(32.朋r + pi). cos(咖r) ，粗级正弦波形22为sin(幼r + ^).cos(咖"，粗级余弦波形21为sinOitr + ^》sin(咖r)， "0为激磁信号角速度，"i为输出轴角速度，t为时间，pi， ^为初始相位角。再经过三十二位数据线23读取当前时刻的输出信号的幅值。为了减少旋变输出非对称性和相移带来的测角误差，需要进行采样值的补偿24，主要是对旋变输出非对称性误差进行补偿。对四路采样信号补偿后进行十六阶FIR滤波25，此时可以通过DSP中的软件对相位向移带来的测角误差进行补偿。为了减少求角运算的时间，采用反正切曲线的二项式拟合公式进行角度的计算26。本发明采用的是二十一所研制的双通道三十二变速比旋转变压器6，即粗级变化一个周期，精级变化三十二个周期。组合角等于粗级角度所处的扇区角与精角的三十二分之一之和27。由于粗精组合存在原理性误差，按照精级与粗极角度相对位置关系进行纠错处理28，得到最终测角信号。 如图8所示为同步电机SVP丽(电压空间矢量脉宽调制)扇区判断图。DSP控制器14在获得霍尔信号后，首先要判断的是定子磁链矢量所处的扇区，S磁链矢量，^、 5为^在3、P上的分量。^1、巧是^在V1、V2上的分量，其中V0(0，0，0)、V1(1，0，0)、V2(1，1，0) 、 V3(0， l，O) 、 V4(0， 1， 1) 、 V5(0，0， 1) 、 V6 (1， 0， 1) 、 V7 (1， 1， 1)是三相桥的八种工作状态，
这八种工作状态矢量的每一个标量分别代表三相绕组的通断状态，例如vo(o，o，o)代表三
相绕组都未导通，V7(1，1，1)代表全通。扇区的判断原则为
<formula>formula see original document page 6</formula>
i -V^3-spo
则扇区值为
Sector = 4Xc+2Xb+a
在经过扇区判断后的矢量运算法则，以扇区III为例
VO(O，O，O)和全矢量V7(l， 为了减少调制谐波，三相桥导通矢量往往加上零矢3l，l)，并且使得各电压矢量波形对称。则导通时间为 'U2 + "
"-(r-n-r2)/2 如果(Tl+T2) ^T，那么， - "=r*r2/(ri+r2)—=o 其中，taon、 tbon、 tcon为三相绕组的导通时间。 如图9所示为本发明控制系统工作流程概况图。在系统上电以后，DSP控制器14通过通讯模块15接受上位机位置指令信息，与解码器后的角度进行比对。如果存在位置偏差，则驱动电机进行工作，否则等待接收新的位置指令。当输出轴位置到达目标位置时等待新的位置指令，否则电机将继续工作，直到达到目标角度。 如图10所示为本发明三相绕组电流检测电路4。MEASUREju为其中一相绕组的检测电流，经过跟随器后被偏置信号BIAS_ia拉高，经过二阶滤波以后将检测信号调整到0 3V之间，送给DSP控制器14。 如图11所示为DSP控制器14与外界接口电路。主要包括激磁信号接口 29，轴角解码信号数据接入端30和控制逻辑信号，片外RAM存储芯片接口 31，九路霍尔位置信号接口 30，六路P丽功率驱动信号接口 32，与上位机的通讯接口 33，电流采样信号接口 34，JTAG接口 35。
权利要求
一种卫星天线指向机构数字控制系统，其特征在于包括二次电源变换模块(2)、功率模块(3)、三相绕组检测电路(4)、同步电机(5)、旋转变压器(6)、检测电路(7)、霍尔效应转子位置传感器(8)、激磁模块(9)、解码模块(10)、星载28V电源(11)、电源转换芯片(12)、PWM驱动电路(13)、DSP控制器(14)、通信模块(15)；星载28V电源(11)通过二次电源变换模块(2)和电源转换芯片(12)得到DSP控制器(14)外设和内核所需要电源，及通信模块(15)、激磁模块(9)、解码模块(10)所需要的电源；同时星载28V电源(11)经过二次电源模块(2)给功率模块(3)供电；同步电机(5)输出轴与旋转变压器(6)转子同轴安装；同步电机(5)的转子位置信号经过霍尔效应转子位置传感器(8)送DSP控制器(14)中；在三相绕组检测电路(4)中调制成0～3V，将电阻电压通过检测电路(7)，输入到DSP控制器(14)中，转化为绕组电流信号；将电阻电压通过检测电路(7)，在三相绕组检测电路(4)中调制成0～3V，输入到DSP控制器(14)中，转化为绕组电流信号；工作时首先上位机通过通信模块(15)给DSP控制器(14)发送位置指令，与此同时DSP控制器(14)输出两路频率恒定、相位相差180度且按正半周期正弦规律变化的PWM波，两路信号经过激磁模块(9)的滤波、整流和差动放大后，输出频率恒定，幅值正弦规律变化的激磁信号送入旋转变压器(6)；旋转变压器(6)感应出两路粗级和两路精级信号，其中由粗级线圈感应出的输出电压信号为粗级信号，由精级线圈感应出的电压信号为精级信号，这四路信号经过解码模块(10)滤波、整形、AD转换后送入DSP控制器(14)，然后由DSP控制器(14)经过滤波、解算、补偿、纠错后得到最终的输出轴位置信号；DSP控制器(14)将接收到的上位机发出位置指令和解算得到的输出轴位置进行比对，当输出轴位置等于上位机给定的位置指令时，DSP控制器(14)没有PWM信号输出，PWM驱动电路(13)和功率模块(3)不工作；当输出轴位置偏离上位机指令位置时，DSP控制器(14)通过霍尔效应转子位置传感器(8)得到的同步电机(5)转子位置信号，结合三相绕组电流检测电路(4)测得的三相绕组电流，经过电机矢量控制解算得到六路PWM驱动信号，输出到PWM驱动电路(13)和功率模块(3)驱动电机工作，完成同步电机(5)矢量控制电流闭环和输出轴位置信号的位置闭环控制，控制卫星天线指向机构的高精度运行。
2. 根据权利要求1所述的一种卫星天线指向机构数字控制系统，其特征在于所述的 二次电源模块(2)前接有保护电路(l)，用于过流保护。
3. 根据权利要求1或2所述的一种卫星天线指向机构数字控制系统，其特征在于所 述的同步电机(5)采用无齿槽无铁芯的空心杯形绕组定子结构，在电机定子360。电角度 上均匀放置九个霍尔效应转子位置传感器，用来提供同步电机(5)转子位置信号。
4. 根据权利要求1或2所述的一种卫星天线指向机构数字控制系统，其特征在于所 述DSP控制器(14)经过解算、补偿、纠错后得到最终的输出轴位置信号的具体步骤如下(1) 对粗级和精级信号进行二项式拟合运算，分别求取粗级和精级位置；(2) 再对粗级和精级位置进行纠错、补偿，得到最终位置信号。
5. 根据权利要求1或2所述的一种卫星天线指向机构数字控制系统，其特征在于所 述的DSP控制器(14)采用TI公司的TMS320F28335。
全文摘要
一种卫星天线指向机构数字控制系统，应用于新型高精度高可靠卫星天线指向机构的驱动控制。它主要由数字信号处理器(DSP)、同步电机、旋转变压器、霍尔效应转子位置传感器、激磁输出电路、轴角解码电路、三相桥式功率模块、PWM驱动电路、三相绕组电流检测电路、通讯模块电路、二次电源变换电路、保护电路组成。该系统通过上位机通讯，输出轴位置检测，绕组电流检测，电机转子位置检测和一系列控制方法，可以实现卫星天线指向机构的高精度控制。
文档编号G05B19/418GK101739013SQ20091024381
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者刘刚, 刘强, 姜迪开, 李光军, 王志强 申请人:北京航空航天大学