[发明专利]一种卫星天线运动控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及数字伺服控制系统领域，用于卫星天线等高精度、小体积、低功耗指向控制执行机构的驱动部件。

背景技术

目前伺服系统通常为带有负反馈的闭环控制系统，某些场合下也可使用开环控制来实现其功能。卫星天线运动控制系统是一种典型的伺服系统，它能够根据输入信号的要求，实时、精确地控制微波天线按照一定的轨迹运动或者高精度的定位在某一点，是天线通讯必需的前提条件。

国内外的相关研究资料显示，传统卫星天线运动数字控制系统多使用单片机、嵌入式计算机等低速处理设备作为主控单元。这些系统或者采样频率较低、处理速度不够、精度差或者设备体积、功耗较大。

目前部分较新型天线运动控制系统使用了DSP单独作为主控单元，典型应用为TI公司的C2000系列DSP。此类系统实现了高度集成的控制系统，功耗较低，达到了较好的控制效果。不过当控制系统使用了较复杂控制方法(如矢量控制方法)时，要涉及较多复杂运算(如坐标变换、三角函数运算等)。C2000系列为定点DSP，不能满足复杂运算对浮点数据处理的需求。这时不得不牺牲部分运算精度，从而限制了系统总体控制精度。

多环控制律的动态性能很大程度取决于内环响应速度。对伺服系统来说电流环影响最大。所以电流环的采样频率必须较高。C2000系列DSP同时集成了脉宽调制(PWM)输出模块、AD采样模块，DSP芯片同时承担数据采样及其控制、预处理、控制逻辑运算、PWM波形输出、执行系统保护逻辑等全部工作，运算量很大，对DSP运算能力提出很高要求。目前来说限制了系统采样频率和总体控制频率，也限制了复杂控制逻辑的应用，这是此类结构系统控制精度和响应性能受限的主要原因。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高运算精度、高采样和控制频率、良好动态响应性能、体积较小、功耗较低的用于卫星天线指向机构的伺服控制系统。

本发明的技术解决方案：卫星天线运动控制系统，其主控单元包含DSP芯片及FPGA芯片，DSP芯片承担系统全部控制逻辑运算，FPGA芯片以高速并行方式承担信号采集及其控制、数据预处理、PWM信号生成、执行系统保护逻辑等任务，充分发挥DSP进行复杂运算、FPGA并行处理的优势。

具体包括：系统给定电路、主控单元、驱动和功率电路、电流检测电路、角位置检测电路、转速检测电路、执行机构，主控单元主要包括DSP芯片和FPGA芯片，其中：

DSP芯片，用于在系统中执行全部控制逻辑，包括：接收系统给定电路输出的系统角位置给定信号；接收FPGA芯片输出的电流、角位置和转速反馈信号；结合所述的给定信号与所述的反馈信号，经过矢量控制原理计算得出空间矢量脉宽调制SVPWM波形控制信号，向FPGA芯片输出；

FPGA芯片，在系统中完成信号采集及其控制、SVPWM信号生成及其输出和系统保护功能，包括：根据预设采样频率，控制电流检测电路、角位置检测电路、转速检测电路进行采样，并分别接收其输出的三相电流检测信号、粗精双路角位置检测信号、转速检测信号；经纠错逻辑，由粗、精双路角位置检测信号生成电机转子角位置反馈信号；将电流、角位置和转速反馈信号送入DSP芯片；接收DSP芯片输出的SVPWM波形控制信号，生成三相六路加入死区的SVPWM波形，输出送入驱动和功率电路中的驱动电路，控制驱动和功率电路中MOSFET功率电路的导通；根据系统保护逻辑，必要时生成系统保护信号。

本发明的原理是：系统主控单元承担任务为系统的信号采集及其控制，即根据预先设定的采样时间触发电流检测电路、角位置检测电路、转速检测电路中的模数转换芯片对电机三相电流、转子角位置、转子转速进行采样；数据预处理，即分时接收角位置检测电路输出的粗、精双路角位置检测信号，经纠错逻辑处理生成角位置反馈信号；控制逻辑运算，即使用矢量控制方法对电机进行位置、速度、电流三闭环实时控制；PWM信号生成，即根据矢量要求生成相应开关状态；执行系统保护逻辑，即在系统出现过流、短路等异常情况时输出保护信号保护系统不被损坏。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用DSP进行系统控制逻辑运算，相对传统的单片机、嵌入式计算机等控制方式具有更高运算速度和精度、更高系统控制频率、较小的体积和功耗。

(2)相对于单DSP控制系统，本系统由于DSP芯片专用于控制逻辑的计算，算法执行速度更高；采用浮点DSP，运算精度更高；使用FPGA进行高速采样，具有更高采样频率和系统总体控制频率，从而提高了系统控制精度。