專利名稱：一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，主要應用于航空航天領域姿態(tài)控制系統(tǒng)。
背景技術：
控制力矩陀螺是大型航天器和空間站上重要的姿態(tài)控制執(zhí)行機構，磁懸浮控制力矩陀螺相對于傳統(tǒng)的機械控制力矩陀螺具有大力矩輸出、低振動等優(yōu)點，所以在高精度大型衛(wèi)星以及空間站上具有廣闊的應用前景。
現(xiàn)有的磁懸浮控制力矩陀螺的伺服系統(tǒng)都是根據(jù)不同的部件進行集中控制，如對高速電機有一套控制器，對框架伺服電機有一套控制系統(tǒng)，對磁軸承有一套控制系統(tǒng)。因此被控部件之間無法進行有效的高速通訊，而且如果被控部件更改或者添加時就必須對相應的硬件做很大的改動。另外從經(jīng)濟性方面考慮，現(xiàn)有的系統(tǒng)如果要保證每個被控部件高精度控制必須使用比較先進的CPU，而利用高速高集成度的CPU只對一個部件進行控制會造成資源上很大的浪費。如果應用高速高集成度的CPU對多個部件進行控制，則存在CPU的運算能力不夠的問題。因此現(xiàn)有技術存在被控部件之間無法進行有效的高速通訊、系統(tǒng)柔性差以及資源浪費的問題。本發(fā)明的高集成度的控制平臺對整個陀螺系統(tǒng)進行分布式控制，采用一套控制系統(tǒng)，解決了被控部件之間無法進行有效的高速通訊的問題；采用組件技術的應用平臺，增強了服務軟件的柔性，為動態(tài)配置CORBA應用程序提供了更大的靈活性；采用基于NiosII的FPGA運動控制卡，避免了先進CPU的資源浪費的問題，簡化了電路，降低了整個系統(tǒng)的功耗。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題是針對現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺。
本發(fā)明的技術解決方案是一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，其特征在于包括應用層、系統(tǒng)層、現(xiàn)場總線及控制層。應用層主要完成系統(tǒng)的狀態(tài)采集及監(jiān)控功能。系統(tǒng)層是整個平臺的軟件基礎，依靠軟件的操作為系統(tǒng)提供實時基準?？刂茖觿t是對被控對象進行底層的控制，并通過現(xiàn)場總線與系統(tǒng)層進行高速通訊。應用層包括狀態(tài)采集模塊、監(jiān)控模塊、通訊模塊和人機接口模塊。狀態(tài)采集模塊對被控對象的電流、速度、位置信號進行采集送給監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊接收所采集數(shù)據(jù)對被控對象進行控制并通過通訊模塊與人機接口模塊連接，人機接口模塊接收外部命令對平臺進行控制并對通訊模塊傳上來的數(shù)據(jù)進行顯示。系統(tǒng)層包括基于CORBA協(xié)議的應用平臺、RTOS(實時操作系統(tǒng))及嵌入式系統(tǒng)硬件。RTOS(實時操作系統(tǒng))通過修改Linux內(nèi)核并在修改后的新內(nèi)核中安裝RTAI來建立，該系統(tǒng)建立在嵌入式系統(tǒng)硬件基礎之上，基于CORBA協(xié)議的應用平臺在RTOS(實時操作系統(tǒng))上建立，在該應用平臺之上完成高速電機速度環(huán)的閉環(huán)運算，框架電機速度環(huán)、位置環(huán)、自適應前饋、摩擦補償及干擾觀測器等復雜運算，磁軸承位置環(huán)及前饋的運算?？刂茖影ɑ贜iosII的FPGA運動控制卡及由高速電機、框架電機、磁軸承和每個被控部件對應的伺服放大器組成的被控對象?；贜iosII的FPGA運動控制卡在FPGA芯片上進行NiosII內(nèi)核、DSP協(xié)處理器、定時器及相關構件的配置，可以完成整個磁懸浮控制力矩陀螺伺服系統(tǒng)電流環(huán)的閉環(huán)控制。
本發(fā)明的原理是通過狀態(tài)采集模塊采集被控對象的電流、速度及位置信號。電流信號通過電流傳感器進入FPGA運動控制卡，通過在NiosII下編程實現(xiàn)電流環(huán)的閉環(huán)運算。系統(tǒng)層上在嵌入式系統(tǒng)硬件上安裝實時操作系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上建立基于CORBA協(xié)議的應用平臺。在該平臺完成高速電機速度環(huán)閉環(huán)算法，完成框架電機的速度環(huán)和位置環(huán)的閉環(huán)算法及前饋、干擾觀測器的算法，完成磁軸承位置環(huán)的閉環(huán)算法及前饋算法。應用層主要完成整個系統(tǒng)的監(jiān)控功能。系統(tǒng)層上的數(shù)據(jù)傳送到應用層后，經(jīng)過監(jiān)控模塊、通訊模塊最終到達人機接口模塊，操作者可以通過人機接口觀察當前系統(tǒng)的狀態(tài)并對其進行控制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明建立了磁懸浮控制力矩陀螺的控制平臺，把現(xiàn)有的各個部件的集中控制改為分布式控制，能夠很容易處理各個部件之間的相互關系，對整個系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制。
(2)本發(fā)明在嵌入式系統(tǒng)硬件上配置了RTOS(實時操作系統(tǒng))，并在該操作系統(tǒng)上建立了基于CORBA協(xié)議的應用平臺。其中RTOS(實時操作系統(tǒng))建立在嵌入式系統(tǒng)硬件上，它是通過修改Linux內(nèi)核并在修改后的新內(nèi)核中安裝RTAI來配置，在該操作系統(tǒng)上組建了基于CORBA協(xié)議的應用平臺。通過在該平臺上建立針對各個被控部件的組件，實現(xiàn)對各個部件的控制，由于采用先進的嵌入式系統(tǒng)硬件，提高了運算速度及運算精度。
(3)與現(xiàn)有的針對各個被控部件的控制器相比，本發(fā)明采用基于NiosII的FPGA運動控制卡，把數(shù)字邏輯處理與運算集成在一個單片系統(tǒng)中，不但能夠解決當前集成控制系統(tǒng)運算速度與控制精度不高的問題而且避免了先進CPU的資源浪費問題，同時降低了整個系統(tǒng)的功耗。
總之，本發(fā)明的控制平臺使整個控制系統(tǒng)更加集成化，減少了資源浪費，解決了各個部件之間通訊的問題。該設計簡化了電路，降低了系統(tǒng)的功耗，提高了系統(tǒng)的柔性和抗干擾能力。
圖1為本發(fā)明的控制平臺的結構組成框圖；圖2為本發(fā)明的基于CORBA協(xié)議的應用平臺配置流程圖；圖3為本發(fā)明的嵌入式系統(tǒng)硬件結構圖；圖4為本發(fā)明的組件結構圖；
圖5為本發(fā)明的基于NiosII的FPGA運動控制卡主要功能模塊結構圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本實施例所采用的磁懸浮控制力矩陀螺的被控部件包括高速電機A、高速電機B、框架伺服電機、磁軸承A、磁軸承B及磁軸承Z。本發(fā)明包括應用層1、系統(tǒng)層2、現(xiàn)場總線3及控制層4。應用層1建立在系統(tǒng)層2上，系統(tǒng)層2則通過現(xiàn)場總線3與控制層4進行通訊。應用層1包括狀態(tài)采集模塊5、監(jiān)控模塊6、通訊模塊7和人機接口模塊8，主要完成傳感器的數(shù)據(jù)采集、復雜算法運算及監(jiān)控功能。狀態(tài)采集模塊5對高速電機A、高速電機B、框架電機的電流、速度、位置及磁軸承A、磁軸承B、磁軸承Z的電流和位置信號的數(shù)據(jù)進行采集送給監(jiān)控模塊6。監(jiān)控模塊6接收數(shù)據(jù)完成對高速電機A、高速電機B的速度環(huán)閉環(huán)算法，框架伺服電機的速度環(huán)和位置環(huán)的算法，磁軸承A、磁軸承B及磁軸承Z的位置環(huán)算法，并通過通訊模塊7與人機接口模塊8連接，人機接口模塊8接收外部命令對系統(tǒng)進行控制并對通訊模塊7傳上來的數(shù)據(jù)進行顯示。系統(tǒng)層2包括基于CORBA協(xié)議的應用平臺9、RTOS(實時操作系統(tǒng))10及嵌入式系統(tǒng)硬件11。首先在嵌入式系統(tǒng)硬件上安裝Linux操作系統(tǒng)，通過修改Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核并在修改后的新內(nèi)核中安裝RTAI來建立RTOS(實時操作系統(tǒng))10，基于CORBA協(xié)議的應用平臺9在RTOS(實時操作系統(tǒng))10上建立，在該應用平臺9之上完成高速電機A、高速電機B的速度環(huán)的閉環(huán)運算，框架電機速度環(huán)、位置環(huán)、前饋、摩擦補償及干擾觀測器等復雜運算，磁軸承A、磁軸承B、磁軸承Z位置環(huán)及前饋的運算?？刂茖?包括基于NiosII的FPGA運動控制卡12及由高速電機A、高速電機B、框架伺服電機、磁軸承A、磁軸承B及磁軸承Z以及它們所對應的伺服放大器組成的被控對象13?；贜iosII的FPGA運動控制卡12在FPGA芯片上進行NiosII內(nèi)核、DSP協(xié)處理器、定時器及相關構件的配置，通過采集電流傳感器的電流信號可以完成整個磁懸浮控制力矩陀螺伺服系統(tǒng)電流環(huán)的閉環(huán)控制，采集位置傳感器的位置信號，并把該位置信號及經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的電流信號通過現(xiàn)場總線傳送到嵌入式系統(tǒng)硬件，最后到達狀態(tài)采集模塊。
如圖2所示，本發(fā)明的基于CORBA協(xié)議的應用平臺在硬件基礎上需要進行以下配置準備工作→安裝RTAI補丁→編譯建立Linux新內(nèi)核→安裝RTAI→編譯安裝ACE→編譯安裝TAO→編譯安裝CIAO。通過以上步驟，TAO和CIAO在RTAI系統(tǒng)上安裝完畢，整個系統(tǒng)不僅擁有符合POSIX 1003標準的實時內(nèi)核作為操作系統(tǒng)，而且TAO所提供的CORBA總線不僅可以滿足實時通訊需求，實現(xiàn)任務調(diào)度的可預測性，CIAO還可以提供對于組件規(guī)范的支持，滿足了開發(fā)快速可重構數(shù)控系統(tǒng)功能模塊的條件。
如圖3所示，本發(fā)明的嵌入式系統(tǒng)硬件采用X86CPU系統(tǒng)，采用成熟的All-in-One主板，并支持PC104總線，為操作系統(tǒng)的建立及平臺的搭建提供硬件支持。整個嵌入式系統(tǒng)包括按鍵、顯示、電源、X86CPU主板。其中按鍵和顯示屬于人機接口模塊，它們和電源及其它輔助性功能的模塊是集成在X86CPU主板上。
如圖4所示，為本發(fā)明的組件結構圖。組件都是在基于CORBA協(xié)議的應用平臺9上建立的。其中包括內(nèi)部模塊、外部模塊、微核API、設備驅(qū)動、通訊系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)硬件。微核的任務包括通信系統(tǒng)和設備驅(qū)動系統(tǒng)。內(nèi)部應用組件是微核的擴展，它由以下組件組成①調(diào)度更新組件，主要提供控制器的虛擬時間，即控制器的時鐘同步和時間基準，同時負責規(guī)定時刻的事件發(fā)送；②掃描器組件，是強實時組件，負責訪問設備驅(qū)動，并將數(shù)據(jù)存放于具體應用的數(shù)據(jù)結構中；③執(zhí)行器組件，也是強實時組件，主要將接收到的信息發(fā)送給高速電機、框架電機和磁軸承的硬件驅(qū)動。外部模塊包括高速電機A控制組件、高速電機B控制組件、框架電機控制組件及磁軸承控制組件。外部模塊的每個組件都是針對被控對象來組建的。
如圖5所示，本發(fā)明的基于NiosII的FPGA運動控制卡，F(xiàn)PGA選用Altera公司的Stratix芯片，包括32位NiosII內(nèi)核、DSP協(xié)處理器、JTAG接口、定時器、BOOT ROM、片內(nèi)FIFO、Avalon三態(tài)總線。計算機通過JTAG接口對FPGA進行調(diào)試編程，NiosII內(nèi)核通過Avalon三態(tài)總線對SDRAM接口、位置傳感器等外設進行控制，DSP協(xié)處理器在NiosII內(nèi)核的控制下用于對大量數(shù)據(jù)進行處理，定時器、BOOT ROM、片內(nèi)FIFO作為片內(nèi)資源通過NiosII內(nèi)核進行調(diào)度。利用SOPC Builder設計NiosII內(nèi)核，用QuartusII進行設計輸入、編譯、編程設置及軟件源程序設計，用GNUPro進行軟件的連編和調(diào)試。其中FPGA系統(tǒng)需要配置DSP協(xié)處理器，通過定制一些傳統(tǒng)的DSP運算指令或反復出現(xiàn)的計算密集型算法指令，來加速CPU的處理能力，其IP核通過DSP Builder來輔助實現(xiàn)。通過配置定時器以保證硬件處理信息的實時性。除片選信號外，A/D接口時序遵守SPI協(xié)議，選用了SOPC中相應的IP，對于片選信號，在系統(tǒng)中額外添加一個通用I/O口來控制。通過程序配置PWM，由光耦隔離后送給各個被控部件的伺服放大器。在FPGA中嵌入NiosII內(nèi)核是工業(yè)技術發(fā)展的方向，將硬件設計軟件化，而且此設計方法可以對硬件做全面細致的模擬仿真，減少了硬件設計的錯誤，有效降低了開發(fā)成本，而且該方法屬于單片解決方案，從而簡化電路結構，降低控制電路的功耗，提高電路的集成度、系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。
本發(fā)明雖為單個磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，但也可以通過被控部件及系統(tǒng)層上的軟件組件形成磁懸浮控制力矩陀螺群的控制平臺。作為一種通用的開發(fā)式的數(shù)控平臺，應用者可以根據(jù)其特殊的應用領域通過修改軟件來靈活方便地實現(xiàn)其功能。
權利要求
1.一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，其特征在于包括應用層(1)、系統(tǒng)層(2)、現(xiàn)場總線(3)及控制層(4)，應用層(1)包括狀態(tài)采集模塊(5)、監(jiān)控模塊(6)、通訊模塊(7)和人機接口模塊(8)；應用層(1)建立在系統(tǒng)層(2)之上，主要完成信號的數(shù)據(jù)采集、復雜算法運算及監(jiān)控功能；系統(tǒng)層(2)包括基于CORBA協(xié)議的應用平臺(9)、RTOS(實時操作系統(tǒng))(10)及嵌入式系統(tǒng)硬件(11)，為應用層(1)提供操作平臺及實時基準，并通過現(xiàn)場總線(3)與控制層(4)進行通訊，交換控制環(huán)節(jié)中的過程量；控制層(4)包括基于Nios II的FPGA運動控制卡(12)及由高速電機、框架電機、磁軸承以及它們所對應的伺服放大器組成的被控對象(13)，完成對被控對象的電流環(huán)的控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，其特征在于所述應用層(1)中的狀態(tài)采集模塊(5)對被控對象(13)的電流、速度、位置進行采集并送入監(jiān)控模塊(6)，監(jiān)控模塊(6)接收所采集的數(shù)據(jù)對被控對象進行控制并通過通訊模塊(7)與人機接口模塊(8)連接，人機接口模塊(8)接收外部命令對控制平臺進行控制并對通訊模塊(7)傳上來的電流、速度、位置等信號進行顯示。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，其特征在于所述系統(tǒng)層(2)中的RTOS(實時操作系統(tǒng))(10)建立在嵌入式系統(tǒng)硬件(11)上，通過修改Linux內(nèi)核并在修改后的新內(nèi)核中安裝RTAI來配置，在該操作系統(tǒng)上組建了基于CORBA協(xié)議的應用平臺(9)，在該應用平臺之上完成高速電機的速度環(huán)的閉環(huán)運算，框架電機速度環(huán)、位置環(huán)、前饋、摩擦補償及干擾觀測器等復雜運算，磁軸承位置環(huán)及前饋的運算。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，其特征在于所述控制層(4)中的基于Nios II的FPGA運動控制卡(12)在一片F(xiàn)PGA芯片上進行Nios II內(nèi)核、DSP協(xié)處理器、定時器及相關構件的配置，可以完成整個磁懸浮控制力矩陀螺伺服系統(tǒng)電流環(huán)的閉環(huán)控制。
全文摘要
一種集成化磁懸浮控制力矩陀螺控制平臺，對磁懸浮控制力矩陀螺系統(tǒng)進行集成化控制，其主要包括應用層、系統(tǒng)層、現(xiàn)場總線及控制層。應用層建立在系統(tǒng)層之上，主要完成信號的數(shù)據(jù)采集、復雜算法運算及監(jiān)控功能，包括狀態(tài)采集模塊、監(jiān)控模塊、通訊模塊和人機接口模塊。系統(tǒng)層為應用層提供操作平臺及實時基準，包括基于CORBA協(xié)議的應用平臺、RTOS(實時操作系統(tǒng))及嵌入式系統(tǒng)硬件?？刂茖油瓿蓪Ρ豢夭考碾娏鳝h(huán)的控制，包括基于Nios II的FPGA運動控制卡、高速電機、框架電機、磁軸承及每個被控部件的伺服放大器。系統(tǒng)層則通過現(xiàn)場總線與控制層進行通訊。本發(fā)明主要應用于航空航天領域姿態(tài)控制執(zhí)行機構。
文檔編號B64G1/28GK1974326SQ20061016516
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月14日 優(yōu)先權日2006年12月14日
發(fā)明者房建成, 李海濤, 于靈慧, 王宗省, 賈軍 申請人:北京航空航天大學