专利名称：一种基于fpga的飞轮模拟器的制作方法
技术领域：
本发明是FPGA的一种应用技术，具体涉及到卫星仿真技术领域中的飞轮仿真技 术。
背景技术：
卫星姿态控制系统包括姿态敏感器、姿态控制器和执行机构三个组成部分，用来 完成卫星的姿态控制。姿态敏感器(如太阳敏感器、星敏感器、地球敏感器等)是用于获取 卫星当前姿态信息的；姿态控制器用于分析处理姿态敏感器获取的当前姿态信息，并根据 需求产生对执行机构的控制指令；执行机构(如飞轮、磁力矩器、推力器等)用于根据姿态 控制器产生的控制指令做出相应的动作，调整卫星姿态。卫星姿态控制系统各部分的连接 关系如
图1所示。上述执行机构中的飞轮是一种重要的执行机构，在卫星仿真测试系统中，出于成 本等因素的考虑，常使用模拟器代替真实飞轮完成仿真测试任务。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。卫星飞轮的数学模 型为
权利要求
1.一种基于FPGA的飞轮模拟器，其特征在于它采用FPGA实现，所述FPGA中包括三个 运算模块，所述三个运算模块分别是f(X，y)运算模块(1)、&运算模块( 和转速运算模 块⑶，所述转速运算模块C3)用于发送调用命令给Kn运算模块( 启动一次龙格-库塔迭 代运算，还用于根据接收到的参数信息计算得本次迭代运算结果信息，并将所述本次迭代 结果信息作为上一次迭代结果《in发送给发&运算模块(2)，同时，还将所述本次迭代结果 信息作为飞轮模型的转速结果《。ut输出；所述Kn运算模块( 用于在接收到转速运算模块C3)发送的调用命令时，连续四次发 送调用命令给f(x，y)运算模块(1)，并分别获得四个参数KpKpK3和K4，还用于将获得的 四个参数发送给转速运算模块(3)；所述f(x，y)运算模块(1)用于在接收到Kn运算模块( 发送的调用命令时，计算获 得参数Kn给Kn运算模块0)。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的飞轮模拟器，其特征在于，所述转速运算模 块(3)由第五加法器(16)、第六加法器(17)、第七加法器(19)、第八加法器(21)、第五乘法 器(18)和第六乘法器00)组成，由Kn运算模块( 输入的K1和K2作为第五加法器(16) 的输入信息，所述第五加法器(16)输出和信息给第七加法器(19)；由&运算模块(2)输入 的K3和K4作为第六加法器(17)的输入信息，所述第六加法器(17)输出和信息给第五乘法 器(18)，所述第五乘法器(18)将输入信息与2相乘之后输出乘法结果信息给第七加法器 (19)，所述第七加法器(19)输出和结果给第六乘法器(20)，所述第六乘法器00)将输入信 息与h/6相乘之后输出乘法结果给第八加法器(21)，所述第八加法器将输入信息与上 次迭代结果《in相加后输出和结果信息作为本次迭代结果ω。ut，同时所述和结果信息还作 为下一次迭代运算的上次迭代结果。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的飞轮模拟器，其特征在于，所述Kn运算模块 (2)由选择器(15)、第四乘法器(1 和第四加法器(14)组成，所述第四乘法器(1 接收 f(x，y)运算模块(1)的输出结果k。ut，DT作为所述第四乘法器(13)的输入信息，所述第四 乘法器(1 输出乘法结果给第四加法器(14)，转速运算模块C3)输出的上次迭代的输出 结果《in同时作为所述第四加法器(14)和第四选择器(15)的输入信息，所述第四加法器 (14)输出和信息给选择器(15)，所述选择器(15)输出的选择结果信息作为Kn运算模 块(2)的输出信息给f(x，y)运算模块(1)；所述Kn运算模块( 用于在接收到转速运算模块C3)发送的调用命令时，连续四次发 送调用命令给f(x，y)的过程为第一次发送调用命令时，选择器(1 选择上次迭代的输出结果《in作为选择器(15) 输出的选择结果信息《k，将本次调用获得的f(x，y)运算模块(1)的输出结果K。ut作为参 ^K1存储；第二次发送调用命令时，DT取值为h/2，选择器(1 选择第四加法器(14)输出的和信 息作为选择器(15)输出的选择结果信息《”将本次调用获得的^⑴。运算模块⑴的输 出结果K。ut作为参数1(2存储；第三次发送调用命令时，DT取值为h/2，选择器(1 选择第四加法器(14)输出的和信 息作为选择器(15)输出的选择结果信息《k，将次调用获得的f(x，y)运算模块(1)的输出结果K。ut作为参数1(3存储；第四次发送调用命令时，DT取值为h，选择器(1 选择第四加法器(14)输出的和信息 作为K2选择器(15)输出的选择结果信息《k，将本次调用获得的f(x，y)运算模块(1)的输出结果K。ut作为参数K4存储，并将所有存储的参数&、1(2、1(3、1(4同时输出给转速运算模块 ⑶。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的飞轮模拟器，其特征在于，所述f(x，y)运 算模块(1)由第一乘法器G)、第二乘法器(9)、第三乘法器(12)、第一除法器(5)、第二除 法器(10)、第三除法器(8)、第一加法器(11)、第二加法器(6)和第三加法器(7)组成，飞轮电机力矩系数Kt同时作为第一乘法器(4)和第二乘法器(9)的输入信号，飞轮控 制电压U是第一乘法器的输入信号，第一乘法器(4)输出乘法结果信息给第一除法器 (5)，飞轮反电势系数Ke是第二乘法器(9)的输入信号，所述第二乘法器(9)输出乘法结果 给第二除法器(10)，飞轮内阻R同时作为第一除法器(5)和第二除法器(10)的输入信号，第一除法器(5) 输出除法结果给第二加法器(6)；第二除法器(10)输出除法结果给第一加法器(11)；飞轮粘性摩擦系数Kv作为第一加法器(11)的输入信号，所述第一加法器(11)输出和 结果给第三乘法器(12)，&运算模块( 的选择器(1 输出结果信息《^合所述第三乘法 器(12)，所述第三乘法器(1 输出乘法结果给第二加法器(6)；所述第二加法器(6)输出和结果给第三加法器(7)，飞轮阻力力矩Td作为所述第三加 法器(7)的输入信号，所述第三加法器(7)输出和结果给第三除法器(8)；飞轮转动惯量J 作为所述第三除法器(8)的输入信息，所述第三除法器(8)输出除法结果K。ut作为f(x，y) 运算模块(1)的输出结果输出给Kn运算模块O)。
全文摘要
一种基于FPGA的飞轮模拟器，涉及到卫星仿真技术领域中的飞轮仿真技术。本发明解决了现有采用数字信号处理器DSP实现的运算速度慢且输出结果精度低的问题。本发明采用Verilog HDL语言，利用IP核作为乘法、除法和加法等基本计算单元，根据四阶龙格-库塔法的求解过程构建三个运算模块，其中转速运算模块用于发送调用命令给Kn运算模块启动一次龙格-库塔迭代运算，并获得转速结果ωout；Kn运算模块用于在接收到转速运算模块发送的调用命令时，连续四次发送调用命令给f(x，y)，获得四个参数K1、K2、K3和K4；f(x，y)运算模块用于在接收到Kn运算模块发送的调用命令时，计算获得参数Kn。本发明所述的飞轮模拟器响应速度快、输出结果精度高。
文档编号G05D17/02GK102122180SQ201110038889
公开日2011年7月13日 申请日期2011年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者刘大同, 庞业勇, 彭宇, 王少军, 赵光权, 马飞 申请人:哈尔滨工业大学