基于集成电路的控制力矩陀螺控制系统设计.pdf

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1、基于集成电路的控制力矩陀螺控制系统设计王灿，唐国元，黄道敏(1．华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉430074；2．武汉空军预警学院，湖北武汉430010)DesignofControlMomentGyroControlSystemBasedonIntegratedCircuitWANGCan，TANGGuoyuan，HUANGDaomin(1．SchoolofNavalArchitectureandOceanEngineering，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430074，China；2．AirForceEar

2、lyWarningAcademy，Wuhan430010，China)摘要：控制力矩陀螺(CMG)作为姿态控制执行0引言机构，相比于传统控制方法有诸多优势，同样也对机电控制系统有更高的性能要求。提出了一种基卫星等航天器广泛采用CMG作为姿态控制执于MC33035、L298N和STC12C5A60S2等集成电行机构，应用时间久，技术成熟。控制力矩陀螺能路的CMG控制系统，介绍了系统构成，分析并设计够连续光滑地输出力矩，用于姿态控制，具有高精系统各部分硬件电路及相应软件。通过该系统实度、高稳定性控制和零回转半径等优点。此外，CMG是内部驱动机构，不会破坏控制对象外形的现了对CMG的有效

3、控制，并给出测试波形及实验完整，且输出直接作用于控制对象。这些优点极大结果。地扩展了CMG的应用领域，如用作水下航行体姿关键词：控制力矩陀螺；MC33035；L298N；STC态控制执行机构。CMG是内部驱动机构，相比于单片机目前传统的水下航行体姿态控制方式有许多优势。中图分类号：V448；TP273CMG包含在航行体里面，不破坏航行体外形的完文献标识码：A整性，也不与恶劣的水下环境相接触_1]。目前，关于文章编号：1001—2257(2015)06—0047一O4CMG应用于水下航行体的应用研究比较少，且大Abstract：Controlmomentgyros(CMG)have都

4、停留在理论研究与实验阶段。manyadvantagesasattitudecontrolactuatorscom—控制力矩陀螺有不同类型，空间构型方式更paredtothetraditionalcontrolmethodswhichalso是多样。按照框架类型分为单框架(SG)和双框架havehigherrequirementsregardingtheperformance(DG)，常见的空间构型有金字塔型、四棱锥型和ofmechanicalandelectricalsystems．Thispaperputs五棱锥型等。单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系forwardaCMGcon

5、trolsystembasedonintegrated统虽然奇异现象严重，操纵律也比较复杂，但是具circuitsMC33035。L298NandSTC12C5A60S2，in—有机械结构简单、输出力矩大(力矩放大作用)等troducesthesystemstructure，analyzesanddescribes优点。thedesignofthehardwarecircuitandcorresponding因此，设计了一种控制系统方案，实现了该控software．Bymeansofsaidsystem，effectivecontrol制系统硬件电路并完成相应控制程序，对该控制电o

6、fCMGisrealized．Testwaveformsandexperi—路进行测试，达成了对CMG的有效控制。mentsresultsaregiven．1控制系统总体方案Keywords：controlmomentgyro；MC33035；L298N：STCmicrocontrollerSGCMG由2部分组成，即高速转动提供角动量的陀螺转子，和用于改变陀螺角动量方向的框架。陀螺转子转速高且精度要求高，选用无刷直收稿日期：2015一O3一O5流电机(BLDC)驱动，具有转速范围高、动态响应基金项目：湖北省自然科学基金(2013CFB154)；上海交通大学海洋工程国家重点实验室开放

7、基金(1304)快、噪声小和高效率等优点。陀螺框架改变陀螺《机械与电子92015(6)·47‘转轴方向，进而控制空间角动量矢量合成方向以访问误差信号放大器、脉宽调制比较器、可编程锯输出控制力矩，因此转速低输出力矩大。陀螺框齿波振荡器以及欠压锁定、逐周限流、热关断等保架驱动电机选用蜗轮蜗杆减速电机，输出力矩大护电路。电机控制系统的组成如图2所示。而且启停及正反转控制简单可靠。基于专用的电机驱动集成电路设计BLDC和直流电机的驱动器，以实现对高速电机的加速过程及转速稳定控