陀螺飞轮控制系统硬件设计与实现

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1、硕士学位论文陀螺飞轮控制系统硬件设计与实现HARDWAREDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFGYROWHEELCONTROLSYSTEM李彦霖哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V448.22学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士位论文陀螺飞轮控制系统硬件设计与实现硕士研究生：李彦霖导师：赵辉申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.22U.D.C:621.3DissertationfortheMasterD

2、egreeinEngineeringHARDWAREDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFGYROWHEELCONTROLSYSTEMCandidate：LiYanlinSupervisor：Prof.ZhaoHuiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：Har

3、binInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着航天技术的发展、航天任务的多样化，微小航天器的应用越来越广泛，在保证航天器性能的前提下减小体积与质量就成为当前研究热点，陀螺飞轮这种集成了传感器和执行器的新型姿态控制元件就有了广阔的应用前景。本文针对陀螺飞轮的实验研究和应用的需求，设计并实现了陀螺飞轮控制系统的硬件部分，包括电流精密测量模块、飞轮调速驱动模块和数据采集通信模块。首先，本文分析了主要硬件模块的工作原理。提出了精密电阻采样法和电流/频率转换法两种电流精密测量方案，并分析了主要误差来源。确定了基于锁相环的飞轮驱动控制系

4、统，为使锁相环控制器更接近线性环节设计了10状态的鉴频鉴相器。采用EtherCAT工业以太网总线传输数据，在节省ISA总线板卡的同时保证了数据通信的实时性。其次，设计实现了电流精密测量系统的硬件电路。精密电阻采样法利用电阻网络减小采样电阻温漂，通过自校准技术补偿失调误差；对电流/频率转换法进行改进，增加A/D转换器采集积分电容电压，提高了系统测量精度和分辨率。-4实验证明精密电阻法测量误差小于1.5*10安培，电流/频率转换法测量误差小-4于4*10安培。然后，设计并实现了飞轮驱动硬件电路。除了在软件中设置电路保护模块外，额外通过硬件电路实现了母线过流保护、过压保

5、护和泵升电压保护的功能，保证了驱动电路运行的可靠性。实验结果显示系统稳速精度为0.04%，且可以很好的跟踪阶跃信号和斜坡信号。最后，设计并实现了基于EtherCAT的数据采集通信电路。根据系统需求设计了由模拟开关、A/D转换器、D/A转换器组成的数据采集输出模块，利用NiosII软核在FPGA中实现了EtherCAT从站。对采集和输出的数据进行分析，证明了通信系统具有实时性和可靠性。关键词：陀螺飞轮；电流精密测量；无刷直流电机；锁相环；EtherCAT-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofaerospacete

6、chnologyandthediversificationofaerospacemissions,theapplicationofmicrospacecraftshasbecomemoreandmorewidespread.Toreducethevolumeandqualityonthepremiseofensuringspacecraftperformancehasbecomearesearchhotspot.ThegyroflywheelintegratessensorsandThenewattitudecontrolelementoftheactuatorh

7、asabroadapplicationprospect.Inthispaper,accordingtotheexperimentalresearchandapplicationrequirementsofthegyroflywheel,thehardwarepartofthegyroflywheelcontrolsystemisdesignedandimplemented,includingthecurrentprecisionmeasurementmodule,theflywheelspeedcontroldrivemoduleandthedataacquisi

8、tionc