一种基于FPGA单处理器的超高精度微波成像仪扫描控制系统的制作方法

本发明涉及航天中微波成像仪扫描技术领域，具体涉及一种基于FPGA单处理器的超高精度微波成像仪扫描控制系统。

背景技术：

微波成像仪是风云系列气象卫星的重要有效载荷，负责探测全球大气中的温度和湿度分布，对中长期天气预报具有重要作用。其中的关键核心部件为扫描驱动装置，用以对地精确扫描。目前国内在高可靠长寿命扫描驱动控制技术研究方面仍处于起步阶段，必须依赖国外引进来解决。其研制经费高达几千万元不说，还因国外高技术的封锁不断加剧，成套引进已面临着从价格高昂、时间长变为禁运的局面。而此部件是风云系列后续星和军用气象卫星微波遥感有效载荷的必备部件，若不进行国产化研究，将严重制约我国在研和预研卫星型号任务的完成。因此必须对扫描驱动装置进行国产化研制，减少对国外的技术依赖，降低产品成本，保障型号任务的持续成功。其中的最关键技术就包括速度波动指标要求为万分之二的超高精度扫描控制方法及系统的设计。

经过对现有文献的检索，发现有以下现有技术：一、申请号为200910082348.9，公开号为CN 101865994 A，名称为“一种基于单片机的微波辐射计的扫描控制装置及控制方法”，该技术给出了一种基于单片机和步进电机的微波辐射计的扫描控制系统，但是该技术采用传统的单片机的控制方式，驱动控制的是步进电机，扫描控制精度不高；二、申请号为200920107781.9，公开号为CN 201589858 U，名称为“采用FPGA技术的星载微波辐射计数据处理及扫描控制系统”，该技术采用了FPGA芯片来实现星载微波辐射计的控制电路部分，增加控制电路的集成性，体积小和功耗低，但该控制系统并不涉及高性能的伺服闭环计算、永磁同步电机驱动等伺服功能；三、申请号为201410438343.6，公开号为CN 104199475 A，名称为“一种在空间应用的扫描驱动装置”，该技术提供了一种在空间应用的扫描驱动装置的机械设计，并不涉及扫描驱动装置的高精度扫描控制。

技术实现要素：

针对微波成像仪在低速度条件下实现超高精度的扫描速度稳定度这一难题，本申请提供一种基于FPGA单处理器的超高精度微波成像仪扫描控制系统，包括主控制系统和备份控制系统，主控制系统与备份控制系统互为镜像，主控制系统与备份控制系统由中央处理器切换控制，且备份控制系统用于冷备份；

主控制系统包括FPGA单处理器、电机功率驱动模块、电机和传感器接口模块；

FPGA单处理器通过电机功率驱动模块采集电机的电流、通过传感器接口模块采集电机的角度信息，并根据电流对电机进行电流闭环控制，根据角度信息对电机进行角速度闭环控制，通过电流闭环控制和角速度闭环控制驱动电机带动微波成像仪的天线以额定扫描周期旋转。

一种实施例中，电流闭环控制包括：滞环比较控制器、Park反变换、SVPWM模块、电压源逆变器和Clarke&Park变换；

滞环比较控制器、Park反变换、SVPWM模块、电压源逆变器和Clarke&Park变换首尾顺次耦合连接。

一种实施例中，角速度闭环控制包括PI控制器和角速度估计模块；

PI控制器的输出端耦合至电流闭环控制的输入端，电流闭环控制的输出端耦合至电机，电机的输出端耦合至角速度估计模块的输入端，角速度估计模块的输出端耦合至PI控制器。

一种实施例中，角速度估计模块包括二阶跟踪微分器，二阶跟踪微分器的函数为：

其中，R为二阶跟踪微分器的参数，θ(t)为电机实时反馈的角度信息，x₁为估计的角度信息，x₂为估计的电机扫描角速度。一种实施例中，二阶跟踪微分器的函数转换成线性饱和函数为：

其中，δ为二阶跟踪微分器的另一参数，且.

一种实施例中，主控制系统还包括与FPGA单处理器通信的RS232串口通信模块，RS232串口通信模块用于采用标准的RS232串行通讯接口接收中央处理器的遥控指令，并上传至FPGA单处理器，同时，还用于将FPGA单处理器的遥测信息上传至中央处理器。

一种实施例中，主控制系统还包括与FPGA单处理器通信的离散信号接口模块，离散信号接口模块包括要求送数接收端、公共接地端、扫描起始脉冲发送端和加电状态发送端。

一种实施例中，主控制系统还包括电源转换模块，电源转换模块包括输出三个不同的电压输出端。

一种实施例中，主控制系统还包括模拟信号接口模块，模拟信号接口模块用于采集电机的电流，并将电流模拟处理后发送至中央处理器。

一种实施例中，电机功率驱动模块包括集成驱动芯片和三相桥驱动电路。

一种实施例中，传感器接口模块用于接收电机上的角度传感器信号，并运算处理后输出至FPGA单处理器。

依据上述实施例的超高精度微波成像仪扫描控制系统，由于通过FPGA单处理器，与单片机或DSP+FPGA的控制系统架构相比，不仅可以提高控制算法的运行速度(与单片机的控制器相比)，还能节省成本，提高系统可靠性(与工业中常用的DSP+FPGA的控制器相比)，而且，在航天领域中，相对DSP来说，可选的高质量等级FPGA型号较多，易于系统物理实现。同时，通过FPGA单处理器对电机进行闭环控制减少电机速度波动，并在角速度闭环控制时采用二阶跟踪微分器，从而实现万分之二的速度波动指标要求，通过本申请的控制系统能使微波成像仪在速度低于1r/s的条件下，电机速度波动小于0.02％，实现高精度扫描控制。

附图说明

图1为超高精度微波成像仪扫描控制系统原理图；

图2为闭环控制原理图；

图3为仿真结果图；

图4为图3仿真结果局部放大图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

作为扫描驱动装置国产化研制的一项关键技术，微波成像仪扫描控制系统的研究难点是：以达到万分之二的速度波动指标要求。低速度条件下实现超高精度的扫描速度稳定度是微波成像仪扫描驱动装置研制的一个重要内容，直接决定天线部分的工作性能，是微波遥感有效载荷发挥作用的前提。为了解决在低速度条件下实现超高精度的扫描速度稳定度这一难题，本例提供一种基于FPGA单处理器的超高精度微波成像仪扫描控制系统，能够使扫描驱动装置在速度低于1r/s条件下，电机速度波动小于0.02％，达到同类产品的国际先进水平。

具体的，如图1所示，本例的超高精度微波成像仪扫描控制系统包括主控制系统1和备份控制系统2，主控制系统1与备份控制系统2互为镜像，主控制系统1与备份控制系统2由中央处理器切换控制，且备份控制系统2用于冷备份，本例以主控制系统1为例进行说明，备份控制系统2参考主控制系统1，不作具体说明。

主控制系统1包括FPGA单处理器11、电机功率驱动模块12、电机13和传感器接口模块14；FPGA单处理器11通过电机功率驱动模块12采集电机13的电流、通过传感器接口模块14采集电机13的角度信息，并根据电流对电机13进行电流闭环控制，根据角度信息对电机13进行角速度闭环控制，通过电流闭环控制和角速度闭环控制驱动电机13带动微波成像仪的天线以额定扫描周期旋转，通过电流闭环控制和角速度闭环控制对电机13进行控制，以减少电机13速度波动。

其中，传感器接口模块14接收电机13上的角度传感器信号，并经运算处理后输出至FPGA单处理器11，电机功率驱动模块12包括集成驱动芯片和MOS管搭建的三相桥驱动电路，接收FPGA单处理器11输出的PWM控制信号，进行驱动放大，输出至电机13的绕组上，本例的电机13为永磁同步电机。

电流闭环控制电路和角速度闭环控制电路如图2所示，其中，电流闭环控制电路包括滞环比较控制器001、派克(Park)反变换002、SVPWM模块003、电压源逆变器004和克拉克(Clarke)&派克(Park)变换005；滞环比较控制器001、派克反变换002、SVPWM模块003、电压源逆变器004和克拉克&派克变换005首尾顺次耦合连接。

其中，从物理意义上讲，Park变换就是将ia，ib，ic电流在α、β轴上的投影，等效到d，q轴上，将定子上的电流都等效到直轴和交轴上去。对于稳态来说，这么一等效之后，iq，id正好就是一个常数了。反之，称为Park反变换。

Clarke变换是把三相静止、互差120度的abc坐标系中的变量变化到两相静止、互差90度的α、β坐标系中。

角速度闭环控制电路包括PI控制器006和角速度估计模块007，PI控制器006的输出端耦合至电流闭环控制的输入端，电流闭环控制的输出端耦合至电机13，电机13的输出端耦合至角速度估计模块007的输入端，角速度估计模块007的输出端耦合至PI控制器006。

其中，比例控制器主要控制系统带宽，积分控制器用来减小稳态误差，同时，角速度闭环控制采用传统的PI控制器，可以使控制算法结构简单，运算量小，能够运行于单片机这类微控制器上。PI控制参数可以通过整定方法来确定，比如极点配置法或继电反馈法，实际中也可通过试凑(trial-and-error)的方法得到的。角速度闭环控制的反馈信号来自于旋变信号而计算出的电机13速度，由于直接进行差分(即为M法)会引入差分噪声从而对伺服控制产生影响，因此，本例的角速度估计模块采用二阶跟踪微分器，来解决低速条件下的实时速度估计，从而实现万分之二的速度波动指标要求。

本例的二阶跟踪微分器的函数为：其中，R为二阶跟踪微分器的参数，θ(t)为电机实时反馈的角度信息，该角度信息是通过电机13上的角度传感器获得，x₁为估计的角度信息，x₂为估计的电机扫描角速度。

为避免原点附件的颤振现象，将二阶跟踪微分器的符号函数改写为线性饱和函数，具体为：

其中，δ为二阶跟踪微分器的另一参数，且，

进一步，本例的主控制系统1还包括与FPGA单处理器11通信的RS232串口通信模块15，RS232串口通信模块15采用标准的RS-232串行通讯接口，在进行串口通讯前，需要进行握手。RS232串口通信模块15通过RS-232串行通讯接口接收上层中央处理器的总线遥控指令，并进而交由FPGA单处理器11进行处理，同时也把FPGA单处理器11中的一些状态遥测信息上传至上层中央处理器。

进一步，本例的主控制系统1还包括与FPGA单处理器11通信的离散信号接口模块16，离散信号接口模块16通过相应集成芯片搭建电路，主要是实现信号的电平转换、相位转换以及信号的整形，具体的，离散信号接口模块16包括要求送数接收端、公共接地端、扫描起始脉冲发送端和加电状态发送端；离散信号接口模块16通过要求送数接收端接收上层中央处理器发送过来的要求送数信号，该要求送数信号为驱动电机的扫描周期，该信号为TTL电平，并交由FP6A单处理器11进行处理。FPGA单处理器11接收到要求送数信号后，通过RS232串口通信模块15发送一次遥测数据(扫描驱动电机的周期)，同时，扫描驱动机构每转一周，FPGA单处理器11会在电机13特定位置处让离散信号接口模块16发出一个扫描周期起始脉冲，脉冲信号为负脉冲，脉冲的下降沿对齐该规定位置。

进一步，本例的主控制系统1还包括电源转换模块17，电源转换模块17包括输出三个不同的电压输出端，即电源转换模块17将输入的28V电源进行DC-DC变换，产生5V、12V和驱动28V三路二次电源信号，其中，5V一般用作控制电路的供电，12V用作A/D采样电路和传感器反馈电路的代电，28V是三相桥电路的供电。

进一步，本例的主控制系统1还包括模拟信号接口模块18，模拟信号接口模块18用于采集电机13的电流，并将电流模拟处理后发送至上层中央处理器，用以遥测监控。

主控系统1通过RS232串口通信模块15接收上层中央处理器的遥控指令，在FPGA单处理器11中进行指令转换、扫描控制和电机驱动，最后向电机发送驱动信号，电机输出转速和力矩，驱动微波成像仪的天线，使天线以额定扫描周期旋转；并且，通过电机内的精密角度测量传感器测量并发送数字化的角度信息参与电机闭环转速控制，有效的减小了电机速度的波动。

对本例提供的超高精度微波成像仪扫描控制系统进行仿真验证，仿真条件：速度估计采用跟踪微分器的参数R＝1000，δ＝0.00005R，速度环周期采用140us；电流环周期采用20us；仿真结果如图3所示，局部放大图如图4所示。

定义[t₀，t₁]时间段内速度波动误差为：其中：ω(t)扫描速度响应曲线，ω_r为给定的扫描速度参考值。通过仿真可以得知，本例的控制系统在稳态时速度波动误差为：万分之1.265，有效解决了微波成像仪扫描驱动装置在低速条件下的高扫描速度稳定度(万分之二的速度波动指标要求)这一技术难题。这些核心技术的突破对我国的微波成像仪扫描驱动装置有十分重要的意义，为风云系列卫星微波成像载荷的高精度扫描控制提供技术支撑和保障。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。