基于dsPIC飞轮控制系统设计

论文摘要

飞轮是卫星姿态控制系统的关键执行元件。提高飞轮控制系统的性能对卫星姿态控制系统具有重要意义。由于飞轮系统受干扰和噪声影响,会使飞轮在执行指令时产生误差,给卫星姿态控制系统带来干扰。需要设计合适的控制线路与控制算法,以提高飞轮控制系统的性能。本文以Microchip公司的dsPIC30F2010芯片为数字控制器,在控制直流无刷电机的基础上设计实现一套反作用飞轮控制系统,并对飞轮控制进行了系统而深入的研究。本文首先分析了直流无刷电机的工作原理和数学模型,在此基础上建立了飞轮动力学模型,深入分析了飞轮系统中干扰和噪声机理,重点讨论了摩擦力矩和质量不均匀所引起的干扰以及速率测量噪声的特性。之后,分别对速率模式和力矩模式下的飞轮控制系统进行了设计与仿真,并提出了抗干扰措施,实现快速复现指令的性能要求。其次介绍了飞轮控制系统的总体结构。飞轮控制系统采用串级控制系统,内回路为电流反馈回路,外回路在不同的工作模式下分别为电流回路和转速回路。接着给出了飞轮控制器的硬件实现,其中包括直流无刷电机的换相和PWM调制、数字控制器、速度测量和方向判断及功率驱动等主要单元。然后给出了飞轮控制系统软件的主流程,并简要介绍了各子程序和中断程序的功能与流程,在软件中实现控制算法。最后,利用Microchip公司提供的MPLAB IDE集成开发环境软件对所编写的程序进行编译和调试,进行飞轮控制系统的实验,将实验结果作了进一步的分析与总结。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题来源及目的
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 飞轮的研究现状及其发展
• 1.3 飞轮控制系统综述
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 飞轮控制系统的工作原理及干扰分析
• 2.1 引言
• 2.2 BLDC 基本工作原理及其数学模型
• 2.2.1 BLDC的组成与换相电路
• 2.2.2 BLDC的工作原理
• 2.2.3 BLDC数学模型
• 2.3 飞轮对象模型
• 2.4 飞轮内干扰与噪声分析
• 2.4.1 飞轮摩擦力矩干扰
• 2.4.2 飞轮质量分布不均匀引入的干扰
• 2.4.3 测量噪声分析
• 2.5 飞轮控制系统模型分析
• 2.5.1 速率模式模型分析
• 2.5.2 力矩模式模型分析
• 2.6 系统抗干扰措施
• 2.6.1 硬件抗干扰措施
• 2.6.2 软件抗干扰措施
• 2.7 本章小结
• 第3章 飞轮控制系统的硬件实现
• 3.1 飞轮控制系统总体结构
• 3.1.1 飞轮控制系统组成
• 3.1.2 飞轮控制系统原理
• 3.1.3 飞轮控制系统实现方案
• 3.2 控制器硬件实现
• 3.2.1 控制器总体结构
• 3.2.2 数字控制器
• 3.2.3 BLDC脉宽调制与换相
• 3.2.4 BLDC转速测量及判向单元
• 3.2.5 BLDC过电流和过电压检测电路
• 3.2.6 滤波单元及电源模块
• 3.3 本章小结
• 第4章 飞轮控制系统的软件实现
• 4.1 控制软件组成
• 4.1.1 控制软件总体框图
• 4.1.2 主程序
• 4.2 主要控制算法和子程序
• 4.2.1 控制算法
• 4.2.2 BLDC位置检测与PWM脉冲调制子程序
• 4.2.3 通信模块
• 4.2.4 中断服务程序
• 4.2.5 采样及滤波模块
• 4.3 本章小结
• 第5章 实验结果与数据分析
• 5.1 引言
• 5.2 实验数据分析
• 5.2.1 实验条件与方案
• 5.2.2 试验结果与分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 附录1 用到的dsPIC30F2010 芯片引脚功能
• 附录2 电路图
• 附录3 试验板和下载器
• 附录4 程序源代码附录
• 致谢