基于Dsp Builder的卫星飞轮模拟器实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及卫星测试领域，尤其设及一种基于Dsp Builder的卫星飞轮模拟器实 现方法。
【背景技术】
[0002] 卫星飞轮，即反作用飞轮是卫星上一种重要的执行机构，在卫星姿态轨道控制中 起着调整卫星姿态的作用。飞轮模拟器，即反作用飞轮模拟器是卫星控制系统地面测试设 备的一部分，能够模拟执行机构动量飞轮所决定的卫星姿态和控制效果，代替真实部件进 行卫星姿态和轨道控制计算机分系统的开环和闭环试验。飞轮模拟器主要模拟飞轮的输入 和输出的电特性，接收上位机发出的控制命令(控制电压），模拟实际飞轮的工作过程，输出 飞轮转速脉冲、转速方向W及飞轮轴溫和电机电流信号。模拟器需要采集的信号为4路电压 信号，经过飞轮模型运算(浮点运算），生成飞轮转速和方向信号。飞轮模拟器具有模拟量输 入/输出端口，通过隔离器件与卫星上部件电气隔离，并且能通过通讯接口对来自动力学计 算机的故障注入指令进行故障模拟。在飞轮模拟器中，通过对飞轮数学模型的求解，得到飞 轮的转速数据，模拟真实飞轮的转速输出。
[0003] 卫星飞轮的数学模型如下：
[0004]
[0005] 约束条件为：
，其中ω为飞轮转速，Kt为飞轮电 机力矩系数，Κν为飞轮粘性摩擦系数，Ke为飞轮反电势系数，U为飞轮控制电压，R为飞轮内 阻，Td为飞轮阻力转矩，J为飞轮转动惯量，sign为符号函数运算符；
[0006] 飞轮模拟器故障参数注入如表1所示：
[0007] 表1注入的飞轮模拟器故障参数
[000引
[0009]
[0010] 解此飞轮微分方程工程中常用的数值解法为四阶龙格库塔法。四阶龙格库塔法可 W由式1~式8所示的方程描述:其中参数h为积分步长，在计算过程中，只要知道前一时刻W 的近似值Wn和积分步长h，就可W计算出Κι~K4的值，从而计算出下一时刻W的近似值Wn+l，将 Wn+1和tn+1作为下次迭代的输入，如此反复迭代，直到得到满足要求的计算结果。反作用飞轮 的数学模型就是按照四阶龙格库塔法的求解步骤实现的。
[0019] 传统的飞轮模拟器采用FPGA(现场可编程口阵列）作为处理器进行反作用飞轮模 型的运算和处理，是在Quartusn软件环境中利用硬件描述语言verilog或vhdl直接编写飞 轮模型解算逻辑，在FPGA处理器中直接求解微分方程。具体实现方法是通过在FPGA中设计 浮点运算IP软核，来实现浮点运算。但是由于缺乏FPGA工具包的支持，使用浮点FPGA运算符 时，需要大量逻辑和布线资源，导致浮点运算性能太差。综上可知在FPGA中使用硬件描述语 言直接描述浮点运算并不是FPGA的优势所在;传统的飞轮模拟器采用定点化P作为处理器 进行反作用飞轮模型的运算和处理，受到定点处理器本身结构的限制，模型求解精度不高， 求解速度相对较慢；同理，传统的飞轮模拟器采用单片机作为处理器进行飞轮模型的运算 和处理，单片机虽然成本低，但是性能也低，导致飞轮模型求解精度不高，求解速度慢。
【发明内容】
[0020] 本发明为解决传统的卫星飞轮模拟器存在求解精度不高，求解速度慢的问题，而 提出基于化P Builder的卫星飞轮模拟器实现方法。
[0021 ] 下面对化P Builder运一工具做一简单介绍。
[0022] 利用抓A(电子设计自动化)技术完成硬件设计的途径有很多种，传统仿真方法在 QuadusII软件环境中利用硬件描述语言Verilog或vhdl直接编写飞轮模型解算逻辑，在 FPGA处理器中直接求解微分方程的最为典型的设计流程，包括设计项目编辑（用硬件描述 语言）、综合、仿真、适配、编程。但是对于设及到算法类方面的系统设计，如飞轮模型解算， 运个流程就会显得很不方便，编程起来很复杂。Dsp BuiIder可W帮助设计者完成基于FPGA 的不同类型的应用系统设计。除了图形化的系统建模，Dsp Builder还可W自动完成大部分 的设计过程和仿真。Dsp Builder是一个系统级(算法级)设计工具，它架构在多个软件工具 之上，并把系统级(算法仿真建模)和RTL级(硬件实现)两个设计领域的设计工具连接起来， 都放在Matlab/Simulink设计平台上，而将QuartusII作为底层设计工具置于后台，最大程 度地发挥了运种工具的优势。Dsp Builder依赖于MathWorks公司的数学分析工具Matlab/ Simulink，WSimulink的Blockset的形式出现。可W在Simulink中进行图形化设计和仿真， 同时又通过SignalCompiler把Matlab/Simulink的模型设计文件（后缀为mdl)转成相应的 硬件描述语言VHDL设计文件（后缀为vhd)，W及用于控制综合与编译的tcl脚本。对于综合 W及此后的处理都由如artusn来完成。
[0023] 基于化P Builder的卫星飞轮模拟器实现方法，不采用传统的方法直接用硬件描 述语言描述浮点运算，避开在FPGA中用硬件描述语言直接描述浮点运算的劣势所在，转而 在Matlab/Simulink设计平台上采用高级语言进行图形化的飞轮模型建模，最终把 Simulink的飞轮模型文件转化为通用的硬件描述语言VHDL，图形化的微分方程建模复杂程 度远远小于采用硬件描述语言直接描述。最终转化的VHDL语言采用32位浮点运算对飞轮模 型进行求解，可W在很短的时间内得到很精确的求解结果，飞轮模型的运算精度和运算速 度对于整个卫星模拟器数据传输的准确性W及传输速度有着至关重要的影响。
[0024] 基于化P Builder的卫星飞轮模拟器实现方法，按W下步骤进行：
[0025] 一、在Simulink环境下采用图形化的建模方法搭建飞轮四阶龙格库塔mdl文件模 型，进行Simul ink环境下的飞轮四阶龙格库塔模型建模及仿真；
[0026] 二、把在Simulink环境下搭建的后缀为mdl飞轮四阶龙格库塔模型，转化成通用的 硬件描述语言VHDL文件，进行硬件描述语言转化；
[0027] Ξ、在如artusn环境下用verilog语言编写顶层模块，分配输入输出端口，调用由 飞轮龙格库塔mdl模型文件转化成的VHDL硬件模块，实现飞轮龙格库塔模型的解算。
[0028] 本发明包括W下有益效果：
[0029] 1、基于化P Builder的卫星飞轮模拟器实现方法，针对算法类的系统设计，不采用 硬件描述语言直接描述浮点运算，转而在Matlab/Simulink设计平台上采用高级语言进行 图形化的飞轮模型建模，图形化的微分方程建模复杂程度远远小于采用硬件描述语言直接 描述；
[0030] 2、本发明最终转化的VHDL语言采用32位浮点运算对飞轮模型进行求解，可W在很 短的时间内得到精确的飞轮模型解算。
【附图说明】
[0031 ]图1为各运算模块之间关系框图；
[0032] 图2为飞轮龙格库塔解算过程示意图。
【具体实施方式】
[0033] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合图1、图2和具体 实施方式对本发明作进一步详细的说明。
【具体实施方式】 [0034] 一、本实施方式所述的基于Dsp Builder的卫星飞轮模拟器实现方 法，按W下步骤进行：
[0035] 一、在Simulink环境下采用图形化的建模方法搭建飞轮四阶龙格库塔mdl文件模 型，进行Simul ink环境下的飞轮四阶龙格库塔模型建模及仿真；
[0036] 二、把在Simulink环境下搭建的后缀为mdl飞轮四阶龙格库塔模型，转化成通用的 硬件描述语言VHDL文件，进行硬件描述语言转化；
[0037] Ξ、在如artusn环境下用verilog语言编写顶层模块，分配输入输出端口，调用由 飞轮龙格库塔mdl模型文件转化成的VHDL硬件模块，实现飞轮龙格库塔模型的解算。
[0038] 本实施方式包括W下有益效果：
[0039] 1、基于化P Builder的卫星飞轮模拟器实现方法，针对算法类的系统设计，不采用 硬件描述语言直接描述浮点运算，转而在Matlab/Simulink设计平台上采用高级语言进行 图形化的飞轮模型建模，图形化的微分方程建模复杂程度远远小于采用硬件描述语言直接 描述；
[0040] 2、本