隨著航天技術(shù)的發(fā)展、航天任務(wù)的多樣化,微小航天器的應(yīng)用越來越廣泛,在保證航天器性能的前提下減小體積與質(zhì)量就成為當(dāng)前研究熱點(diǎn),陀螺飛輪這種集成了傳感器和執(zhí)行器的新型姿態(tài)控制元件就有了廣闊的應(yīng)用前景。本文針對陀螺飛輪的實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用的需求,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了陀螺飛輪控制系統(tǒng)的硬件部分,包括電流精密測量模塊、飛輪調(diào)速驅(qū)動模塊和數(shù)據(jù)采集通信模塊。首先,本文分析了主要硬件模塊的工作原理。提出了精密電阻采樣法和電流/頻率轉(zhuǎn)換法兩種電流精密測量方案,并分析了主要誤差來源。確定了基于鎖相環(huán)的飛輪驅(qū)動控制系統(tǒng),為使鎖相環(huán)控制器更接近線性環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了10狀態(tài)的鑒頻鑒相器。采用EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)總線傳輸數(shù)據(jù),在節(jié)省ISA總線板卡的同時(shí)保證了數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性。其次,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電流精密測量系統(tǒng)的硬件電路。精密電阻采樣法利用電阻網(wǎng)絡(luò)減小采樣電阻溫漂,通過自校準(zhǔn)技術(shù)補(bǔ)償失調(diào)誤差;對電流/頻率轉(zhuǎn)換法進(jìn)行改進(jìn),增加A/D轉(zhuǎn)換器采集積分電容電壓,提高了系統(tǒng)測量精度和分辨率。實(shí)驗(yàn)證明精密電阻法測量誤差小于1.5*10-4安培,電流/頻率轉(zhuǎn)換法測量誤差小于4*10-4安培。然后,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了飛輪驅(qū)動硬件電路。除了在軟件中設(shè)置電路保護(hù)模塊外,額外通過硬件電路實(shí)現(xiàn)了母線過流保護(hù)、過壓保護(hù)和泵升電壓保護(hù)的功能,保證了驅(qū)動電路運(yùn)行的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)穩(wěn)速精度為0.04%,且可以很好的跟蹤階躍信號和斜坡信號。最后,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于EtherCAT的數(shù)據(jù)采集通信電路。根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)了由模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器組成的數(shù)據(jù)采集輸出模塊,利用Nios II軟核在FPGA中實(shí)現(xiàn)了EtherCAT從站。對采集和輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,證明了通信系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性和可靠性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V441
【部分圖文】：

圖 1-1 巨磁電阻阻值與磁場強(qiáng)度關(guān)系中 R RH/0為材料電阻與磁場強(qiáng)度H為零時(shí)電阻的比值； Hs表示曲線接近飽和時(shí)的磁場強(qiáng)度。巨磁電阻在沒有磁場時(shí)阻值最大者負(fù)向增大時(shí)，巨磁電阻的電阻值均減小，通過測量巨磁電阻阻電流。這個(gè)方法還沒完全成熟，對巨磁電阻的磁場—阻值特性曲精確，并且對位置變化極為敏感，實(shí)驗(yàn)室條件下測量精度在 1也沒有大量應(yīng)用與實(shí)際工程中。但是巨磁電阻對磁場強(qiáng)度的高度良特性有很好的應(yīng)用前景，隨著大量實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，巨磁電阻的磁曲線的描述會越來越精確，實(shí)際工業(yè)中的測量精度也會越來越霍爾效應(yīng)法一樣稱為工業(yè)上最常用的電流測量方法[15]。實(shí)際應(yīng)用中，由于測量環(huán)境復(fù)雜多變，噪聲干擾無法避免，而且種多樣，所以電阻采樣法這類需要針對被測信號特性進(jìn)行設(shè)計(jì)的大限制，而霍爾效應(yīng)法便于攜帶、和被測系統(tǒng)之間沒有干擾，在應(yīng)用也更廣泛。但是在被測系統(tǒng)確定時(shí)，電阻采樣法和電流/頻量精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于霍爾效應(yīng)法，更能滿足精密測量的需求。

圖 2-16 校正后系統(tǒng)的開環(huán) Bode 圖由圖 2-16 可知，在增加環(huán)路濾波器和超前環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)動態(tài)性能得到了很大的改善，相角裕度變?yōu)?55.1°，幅值裕度也增加到了 18.7dB。同時(shí)，因?yàn)樵黾恿谁h(huán)路濾波器，系統(tǒng)帶寬內(nèi)的噪聲也得到了很好的抑制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的跟蹤精度。2.2.4 基于鎖相環(huán)的電機(jī)控制系統(tǒng)仿真分析對鎖相環(huán)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)后，利用 Sinulink 搭建仿真框圖，系統(tǒng)仿真框圖如圖 2-17 所示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文機(jī)搭建了 PFD10 模塊，用于模擬十狀態(tài)鑒頻鑒相器的工作。鑒頻鑒相著參考信號和反饋信號脈沖上升沿進(jìn)行切換，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)輸出 0、V 電壓值，經(jīng)過環(huán)路濾波器和超前環(huán)節(jié)處理后作為電機(jī)模塊的控制電位置傳感器模塊需要將速度信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號，實(shí)現(xiàn)原理如下：電饋的轉(zhuǎn)速信號積分得到電機(jī)位置信號，將電機(jī)位置信號除以 2π/15 后產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波。鋸齒波再與π/15 進(jìn)行比較，鋸齒波大于π/15 時(shí)輸π/15 時(shí)輸出 0。這樣就模擬無刷直流電機(jī)的位置傳感器，將電機(jī)的轉(zhuǎn)換成了脈沖信號，且電機(jī)每轉(zhuǎn)一個(gè)機(jī)械周期，輸出 15 個(gè)脈沖信號。該mulink 框圖如圖 2242 所示。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2880310