卫星天线指向机构控制系统的设计与实现论文.pdf

第4 4 卷第8 期 七知V o L4 4 N 。8 垫! ! 篁：皇垦竺竺竺竺一釜坐笪些 卫星天线指向机构控制系统的设计与实现 姜迪开1 ”，刘刚1 ”，李光军1 ，2 ( 1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京1 0 0 1 9 1 ； 2 新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室，北京1 0 0 1 9 1 ) 摘要：卫星天线指向机构是通讯卫星和中继卫星等航天器的关键部件之一。为了达到卫星天线指向机构的高精度 大力矩控制，设计了一种基于D S P C 3 1 + F P G A 数字控制器的控制系统实现方案。该系统以分离器件搭建的轴角解码 系统获取旋转变压器的位置信号，并采用矢量控制的方法驱动永磁同步电机。实验结果表明，本控制系统最大输出 力矩可达到5 0N m 。在带5 0k g m 2 转动惯量的模拟负载时，定位误差小于2 8 ”且运动过程平稳，实现了指向机构高 精度大力矩控制，对于卫星综合性能的提高具有重要的意义与应用价值。 关键词：轴角解码；矢量控制；高精度；大力矩；高可靠 中图分类号：T P 2 7 1文献标志码：A文章编号：1 0 0 1 - 6 8 4 8 ( 2 0 1 1 ) 0 8 - 0 0 3 6 0 5 C o n t r o lS y s t e mD e s i g na n dR e a l i z a t i o nf 0 rP o s i t i o nS e r v oo fA n t e n n a P o i n t i n gM e c h a n i s mB a s e do nD S Pa n dF P G A J I A N GD i k a i l ”，L I UG a n 9 1 ”，L IG u a n g j u n l 2 ( 1 S c h o o lo fI n s t r u m e n t a t i o nS c i e n c ea n dO p t o e l e e t r o n i c sE n g i n e e r i n g ，B e 班n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s ，B e i n g1 0 0 1 9 1 ，C h i n a ；2 K e yL a b o r a t o r yo fF u n d a m e n t a lS c i e n c e f o rN a t i o n a lD e f e n s e o f N o v e lI n e r t i aI n s t r u m e n ta n dN a v i g a t i o nS y s t e mT e c h n o l o g y ，B e i n g1 0 0 1 9 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h es a t e l l i t ea n t e n n ap o i n t i n gm e c h a n i s mi so n eo ft h ek e yp a r t sf o rt h es p a c e c r a f ts u c ha st h e c o m m u n i c a t i o na n dr e l a ys a t e l l i t e s Ac o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ed i g i t a lc o n t r o l l e rD S P C 31a n dF P G Ai si n t r o d u c e dt or e a l i z et h eh i g hp r e c i s i o na n dh i g ht o r q u ec o n t r o lo ft h es a t e l l i t ea n t e n n ap o i n t i n gm e c h a n i s m T h es y s t e mo b t a i n st h ep o s i t i o ns i g n a lo ft h er e s o l v e rt h r o u g ht h er e s o l v e r - - t o d i g i t a lc o n v e r s i o ns y s t e mb u i l tb y t h es e p a r a t i n gd e v i c e s ，a n dd r i v e st h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rb yt h ev e c t o rc o n t r o lm e t h o d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mo u t p u tt o r q u eo ft h i sc o n t r o ls y s t e mc o u l dr e a c h5 0 N mw h e nl o a d e dw i t h 5 0i n e r t i a lm o m e n t 。t h es t e e r i n ge r r o ri sl e s st h a n 2 8 ”w i t has t a t i o n a r ym o t i o np r o c e s s ，w h i c hC a nr e a l i z e t h eh i g hp r e c i s i o na n dh i 【g ht o r q u ec o n t r o lo ft h ed i r e c t i o nm e c h a n i s m ，a n di so fg r e a ts i g n i f i c a n c ea n dv a l u e f o rt h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e si m p r o v e m e n to ft h es a t e l l i t e K e yw o r d s ：r e s o l v e r t o d i g i t a lc o n v e r s i o n ；v e c t o rc o n t r o l ；h i g hp r e c i s i o n ；h i s ht o r q u e ；h i g hr e l i a b i l i t y O 引言 天线指向机构是卫星天线的控制和驱动机构， 其指向精度直接决定了卫星天线能否进行高精度扫 描与指向，及其与通讯目标进行通讯功能的优劣。 卫星天线指向机构系统对系统的输出力矩、精确度 都有很高的要求心j 。本系统中，采用永磁同步电机 加摆线包络减速器驱动大惯量挠性负载。大减速比 的减速器和大惯量挠性负载的存在使得系统具有滞 后性大的特点，导致输出力矩和控制精度容易受到 影响。为了提高输出力矩和控制精度，越来越多的 控制算法被应用于伺服系统中，要求控制器能在很 短时间内完成大量的运算，文献 3 采用F P G A 搭建 天线指向机构控制系统，而F P G A 控制系统无法胜 任系统运算要求，无法达到大力矩输出和高精度控 制的指标要求。研究针对空间应用环境中存在的高 低温、辐射等环境对控制器的可靠性提出了更高的 要求。文献 4 采用高性能集成化D S P 搭建天线指 向机构控制系统，可是高性能集成化D S P 控制系统 无法满足空间应用的可靠性要求。针对以上问题本 收稿日期：2 0 1 0 0 9 - 2 7 基金项目：国家民用航天科研专项重点项目( C 1 3 2 0 0 6 2 1 0 3 ) 作者简介：姜迪开( 1 9 8 7 ) 男，硕士研究生，主要研究方向为天线指向机构伺服控制系统设计。 万方数据 8 期姜迪开等：卫星天线指向机构控制系统的设计与实现 3 7 文提出了D S P + F P G A 的天线指向机构控制系统。系 统选用T M s 3 2 0 C 3 1 的D S P 和E P F l 0 K 3 0 的F P G A 控 制芯片，由D S P 完成电机控制与位置解算功能，由 F P G A 实现P W M 信号的输出以及采样信号处理。实 验结果表明，该控制方案有输出力矩大、定位精度 高的特点并且达到了航天控制系统的可靠性要求。 l 控制方案设计 在本系统中。减速器驱动大力矩负载致使弹性 形变误差增加，同时与空回误差、外部旋转变压器 测量误差叠加，经过减速比折算至电机端，又经过 极对数折算放大，使得位置信号误差经过多层放大。 在5 0N m 负载，传动机构刚度3 0 0 0 0N m r a d 情况 下，系统最大弹性形变误差为3 4 3 7 7 ”、空回误差 2 7 ”、旋变最大电气误差3 0 ”、综合最大误差为4 0 0 ”。 经过1 6 0 倍减速比与极对数8 折算，电机转子磁链 定位最大误差达到1 4 2 。电角度。虽然这是一种极端 情况，但是对永磁同步电机来说，力矩误差是与误 差角的正弦值成正比的，误差角达到9 0 0 电角度则电 机就会完全控制失败，失真的位置信息也会引起电机 转矩脉动。针对以上情况，通过安装在电机上的 H A I J 检测转子磁链的位置实现电流环控制，保证电 机输出足够大的控制力矩。通过在输出端安装测量精 度更高的旋转变压器进行位置环控制，保证系统的定 位精度足够高。图1 所示为采用双位置检测的卫星天 线指向机构控制系统位置环与电流环控制框图。 圈1双位置检测卫星天线指向机构控制框图 2 伺服驱动系统组成及实现 霎茎蚕喜誓誓芋压器的电压值经过轴角解码算法 伺服驱动系统主要由控制系统和驱动系统两部 分组成。其中，控制系统主要功能是采样电流信号、 旋变输出信号分别得到三相绕组电流和输出轴绝对 位置，输出三相桥驱动信号和激磁输出信号。驱动 系统主要功能为实现电机驱动，绕组电流检测和各 路电压输出转换，及其将星载+ 2 8V 电源转化为所 需控制电路电压。 2 1 伺服驱动系统结构设计 图2 是以D S P 和F P G A 为控制芯片的控制系统 结构图。其中D S P 模块作为主处理器进行大部分控 制算法运算；F P G A 模块作为协处理器，用于接收电 流信号、H A L L 信号和采样解码信号交予D S P 运算 分别得到转子磁链方向和输出轴角度，由F P G A 输 出六路P W M 电机驱动信号、两路激磁信号。 本系统中所完成的D S P C 3 1 + F P G A 数字控制系 统如图3 所示。 2 2 旋变轴角解码 常规的集成解码芯片不能满足系统体积，重量， 功耗的严格要求。针对这个问题，系统采用了体积 小、重量轻、功耗低的分离器件搭建轴角解码系统。 避融 圈每 回 聪 I 苎些一 刺 图2 控制系统结构图 圆 圈31 ) 、l + J J f ，数字控制系统 旋转，笠J ! 盘枯是安装在指川机构输出轴提供指向 万方数据 3 8 t 电机4 4 卷 机构输出绝对位置信号的传感器，其精度直接决定 了指向精度。旋转变压器由激磁绕组和输出绕组 组成po 。 以单相励磁方式旋转变压器为例，其结构如图 4 所示。其中，激磁绕组E 与输出轴配合，输出绕 组分别为相互垂直地同定在输出轴端的正弦绕组讥。 和余弦绕组u 。，且激磁绕组与输出绕组同心安装 以减小输出误差。 若激磁绕组通以固定频率的激磁信号 E = C O S ( c o t )( 1 ) 则正弦绕组和余弦绕组输出电压为： 图4 旋转变压器结构图 乩。= I | c 。s ( t o t ) s i n ( p ) + 吉磐s i n ( t o t ) c 。s ( 秽) 】 I = k V o C O S ( t o t ) c o s ( 帅吉扣( o o t ) s i n 】 ( 2 ) 其中k 为旋变转换比，为激磁电源幅值，为激 磁电源频率，t 为时间。 在激磁电源频率( 1 相比于转速d O d t 足够大的 时候。表达式可以近似为： 卜2 屯c o s ( ) 酊n ( 口 ( 3 ) 【U e o 。= 后c o s ( w t ) c o s ( 口) 一 由式( 3 ) 可得： U , J U o 。= 器揣= t a n ( 0 ) ( 4 ) 由式( 4 ) 可得： 0 = a r c t a n ( 以i 。玑。) ( 5 ) 由式( 5 ) 可知，角度0 的计算需要采样旋变正弦 输出和余弦输出的值，正余弦信号的采样精度将会 影响解算的精度。此外，反正切函数的求解中存在 极点，并且会出现正切值过大的点，这都会极大的 影响解算的精度。为克服这些问题把反正切分为八 个象限进行求解哺 。图5 为轴角解码的八象限图解。 戈为旋变正弦绕组的输出，Y 为旋变余弦绕组的输 出。根据菇、Y 绝对值的大小和茗、Y 的正负，把 3 6 0 。的圆均等的分成八份。这样0 总是由0 l 范围 内的正切值或余切值组成，这样有助于提高解码的 精度。 獠熬e = n m M 1 露浏 0 1 、沙 图5 轴角解码八象限图解 针对系统存储空间有限的问题，系统采用的多 项式拟合求取反正切函数的方法。图6 所示为三次 拟合的误差示意图，三次拟合式的最大误差为4 3 2 ”。 图7 为四次拟合的误差示意图，四次拟合式的最大 误差为4 6 8 ”。图8 为五次拟合的误差示意图，五次 拟合式的最大误差为5 4 ”。五次拟合的最大误差比 系统要求的6 0 ”低一个数量级，可以有效使用。高次 拟合占用运算资源较大，针对系统运算速度有限的 问题，系统采用 0 = 一3 0 8 7 9 茁5 + 1 5 8 1 2 x 4 2 6 5 0 2 x 3 + 1 6 2 2 3 x 2 + 5 7 1 5 4 x + 0 0 0 2 7 7 3 1 ( 6 ) 这个五次拟合函数来求取O 到l 范围内的反正 切。这种方法在保证精度的前提下有效地提高系统 运算速度且不增加系统的存储负担。 O 0 2 2 、0 0 I 冀。0 0 0 0 2 图6 三次拟合误差 O0 10 20 3 0 40 50 60 70 80 9I 正切值 图7 四次拟合误差 00 10 20 3 0 4 0 50 6 0 7 0 80 9 l 正切值 图8 五次拟合误差 l 5 O 5 m 帅 m o ，稍蹬 万方数据 8 期姜迪开等：卫星天线指向机构控制系统的设计与实现 。3 9 本系统采用的是速比为1 ：3 2 的多极旋变，粗 精组合后p = i n t ( 0 1 1 2 5 ) 1 1 2 5 + 0 j 3 2 ，其中以 为粗级角度，B 为精级角度“ 。 上述粗精组合需要保证粗角准确，否则会产生 11 2 5o 的误差。实际中旋变自身误差和测量误差等 一系列因素会导致粗级误差的存在。为此需要进行 粗精纠错，纠错规则如下：如果一。一i n t ( 口。 1 1 2 5 ) 8 4 1 。且9 ； 2 7 0 。，贝0 秽= 日 一11 2 5 。 2 3 矢量控制 假设绕组电流为对称的三相正弦波电流，定子 磁场呈正弦分布，忽略电机涡流和磁滞损耗，转子 没有阻尼绕组。在随转子旋转的由坐标系上，电机 的数学模型为： ：警一t o q , q + R ( 7 ) = 百一 + 代s k L7 ， u ，：警一毗+ R 囊 ( 8 ) u g = i 一砷d + 幽 L 5 砂d = L d i d + 砂f ( 9 ) 沙，= L q i 。 ( 1 0 ) t = 知 妒r i ，+ ( 乙一L ，) 诚 ( 1 1 ) 本系统中采用的是表贴式转子磁路结构的永磁 同步电机，由线圈漏感相差不大，可以近似认为两 轴电感相同有L 。= L 。，则 t = 昔砷，i 。 ( 1 2 ) 系统机械运动方程为 ，警= 咒一巩一B t o 。 ( 1 3 ) 式中，“、玑为定子电压由轴分量，i 小i 。为定 子电流咖轴分量，奶、蛾为定子磁链由轴分量， k 、。为定子绕组由轴电感，屁。为定子绕组，职 为永磁体产生的磁链，t 为电机电磁转矩，巩为 负载转矩，- ，为转动惯量，B 为摩擦系数，。转子 角速度，P 为电机转子极对数，为转子电角 速度。 由式( 1 2 ) 可知电磁力矩只是和q 轴的电流相关。 因此可以采用i 。= 0 控制，单独控制i 。来控制 力矩旧J 。 3 软件设计 位置调节采用了实用且占用运算资源少的经典 P I D 控制。由于指向机构是一个大转动惯量系统由 于装配误差、摩擦特性不均匀等原因，造成不同位 置启动力矩不同，存在难稳定点。常用的方法是增 大系统阻尼系数，但是系统的相应速度就会受到影 响，为此提出了P I D 变系数的方法。 ( 群，K i 圳O ( K p , K 嚣淄I A 0 1 8 ( 1 4 ) 式( 1 4 ) 是P I D 变系数软件补偿公式，当实际角 度与目标角度差口小于艿时，原来的P I D 参数系数 与权系数盯加权得到。此方法在占用很少的运算资 源的情况下保证了系统的相应速度。其原理如图9 所示。 P I D 加权系数 位置误差 一606 图9P I D 变系数原理图 电流调节采用限幅P I 控制，输出超过参数设定 的范围时，限幅模块会让其会保持在一个恒定的值 从而防止输出过大。 系统的程序流程图如图1 0 所示，F P G A 完成信 号的输入输出以及逻辑的处理，D S P 完成运算工作。 D S P 的程序中断由F P G A 定时给出。 D S P 上电：作 廷：竺岁_ 一 至霉Y审 信芝翁嚣扇ll 磊i 翮 K 判断 lI 豫投、骰止、补倍I 巧爿畜 I 信 i 壶瞬| J 廷辇多1 i ! 1 信号处理，扇 l 区判断 lI 丁一 i 面百芹霹门I 程序拄起，重新 一给F ! 坚垒 II 等待指令 图1 0 系统程序流程图 万方数据 4 0 专机 4 4 卷 4 实验与分析 4 1 实验系统 图1 I 指向机构系统测试平台 在完成数字控制系统集成与设计后，本文进行 了指向机构系统定位精度和控制力矩测试，系统测 试平台如图1 1 所示( 自右向左依次为：1 一摆线包络 指向机构；2 一H E I D E N H A I NI K 2 2 0 码盘；3 一J N 3 8 8 型智能数字式转矩转速测试仪；4 一磁粉制动器；5 一模拟转动惯量负载) 。 系统转动惯量J 为5 0k g m 2 ；减速器减速比 ，为 1 6 0 ；传动效率田为7 0 ；转子极对数P 为8 对；定 子电感L = 8 3m H ；定子绕组R 。= 3 2 7n 。 4 2 结果分析 转矩测试是以J N 3 8 8 型智能数字式转矩转速测 试仪为测量系统。三相绕组母线电流与系统输出力 矩呈线性关系，其线性度反映了电机矢量控制效果。 图1 2 所示为电机绕组电流与系统输出力矩的关系曲 线。数据显示输出力矩线性度良好，最大输出力矩 达到5 0N m 。 母线绕组电甜 围1 2 矢量控制电机力矩输出特性曲线 定位精度测试采用9 0 0 0 0 刻线光电码盘作为系 统的标定系统。测试采用每次指令给定输出轴机械 角度为5 0 ，对系统整周范围内进行了正反转的定位 精度测试。图1 3 显示了系统的正向定位误差，图1 4 显示了系统的反向定位误差。从图中可以看出系统 的定位误差为2 8 ”，重复定位误差为1 9 8 ”。达到 了系统高精度指向要求。 图1 4 系统反向定位误差曲线 5 结语 本文以天线指向机构系统为研究对象，设计并 实现了以D S P + F P G A 为主控芯片的数字控制系统， 由D S P 作为处理器运行控制算法，配合扩展灵活的 F P G A 作为协处理器进行外设控制，并可通过上位机 实现对控制参数的实时查询与修改。实验结果表明 该控制系统实现了系统的控制功能，具有输出力矩 大和定位精度高的优点。 参考文献 1 刘建章卫星天线指向机构高精度伺服系统研究 D 北京： 北京航空航天大学 2 李光军刘强，刘建章，等天线指向机构位置伺服的H 。一 l a i D 控制研究 J 宇航学报，2 0 0 9 ，3 0 ( 6 ) ：2 1 9 4 2 1 9 7 3 王阳王中，黄声华基于F P G A 的卫星天线用交流伺服系统 设计研究 J 徽电机，2 0 0 7 4 0 ( 6 ) ：2 8 3 0 4 刘建章，刘刚，李光军永磁同步电机多开关H l 工的微步进标 定方法及其矢量控制系统 J 散电机2 0 0 9 4 2 ( 1 0 ) ：柏一4 3 5 Z h u a n g z h lH a r t H e n gZ h a n g ，Q i a n gH eR e s o l v e r t o d i g i t a lC o n v e r i e rB a s e dO nT a n g e n tA l g o l i t h m J I E E EI n t e r n a t i o n a lS y m p o - s l u mO nI n d u s t r i a lE | e e t r o n i c a ，2 0 0 9 5 ( 8 ) ：3 2 9 3 3 2 6 S a n t a n uS a r m a VK A g m w a I ，S u b r a m a n y aU d u p a S o f t w a t z B a s e dR e s o l v e r - t o D i g i t a lC o n v e r s i o nU s i n gaD S P J I E E ET r a n s - a c t i o n so nI n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s ，2 0 0 8 ，5 5 ( 1 ) ：3 7 1 3 7 9 7 房建成徐向波，魏彤M S C M G 框架伺服系统高精度控制与旋 转轴角解码研究 J 光学精密工程2 0 0 9 1 7 ( 4 ) ：7 9 4 8 0 0 8 T o s h i h i k oN n g u e h iT r e n d so fP e r m a n