許多衛(wèi)星上都裝備有動量輪，又稱反作用輪，它是ACS(姿態(tài)控制系統(tǒng))的一個重要組成部分，可以用于保持衛(wèi)星穩(wěn)定或衛(wèi)星觀測點(diǎn)的快速定向。動量輪是一個旋轉(zhuǎn)的飛輪，其高速旋轉(zhuǎn)的輪體中存儲了能量和角動量，飛輪的轉(zhuǎn)速由電機(jī)調(diào)節(jié)，通過對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，改變其輸出的角動量，可以精確控制衛(wèi)星的姿態(tài)，是衛(wèi)星上非常重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
    采用磁軸承支撐的動量輪便是磁懸浮動量輪，它與傳統(tǒng)動量輪（機(jī)械軸承支撐）相比有許多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榇泡S承是非接觸的，沒有機(jī)械磨損，不需要潤滑系統(tǒng)，因而壽命長。并且由于摩擦損耗很小，它可以在比機(jī)械軸承支撐的動量輪更高的轉(zhuǎn)速下長期工作。由于磁軸承不容易受溫度變化的影響，使得其對機(jī)加工精度的要求比機(jī)械軸承低得多，可以降低制造成本。磁軸承還具備的一大優(yōu)點(diǎn)是能對振動進(jìn)行主動控制，這可以明顯提高衛(wèi)星的定位精度。由于具備種種優(yōu)點(diǎn)，磁懸浮動量輪成為替代機(jī)械軸承動量輪的一種理想選擇。
    國際上對磁懸浮動量輪這一領(lǐng)域的研究不斷取得進(jìn)展。法國1986年發(fā)射的SPOT地球資源衛(wèi)星采用磁懸浮動量輪進(jìn)行姿態(tài)控制，得到了清晰準(zhǔn)確的圖像，這是磁懸浮動量輪在空間的首次應(yīng)用。在美國、歐洲和日本的許多公司和研究所都在進(jìn)行相關(guān)的研究，并已成功應(yīng)用到了各種衛(wèi)星和空間站上。在國內(nèi)，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)也在進(jìn)行相關(guān)研究，但總體而言處于起步階段，進(jìn)一步開展這方面的研究對提高我國的航天科技水平具有很重要的意義。
1 磁懸浮動量輪的構(gòu)成和工作原理
    本文的電磁軸承技術(shù)應(yīng)用的研究對象是外轉(zhuǎn)子動量輪，其構(gòu)成了一臺五自由度的磁懸浮動量輪原理樣機(jī)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    其中動量輪輪體是一套包括電磁鐵、同步電機(jī)和轉(zhuǎn)子的機(jī)械裝置（如圖2所示）。轉(zhuǎn)子是被控對象，在電機(jī)帶動下旋轉(zhuǎn)，它的5個自由度（上下各兩個徑向，還有一個軸向）的位移信號通過電渦流傳感器變成電壓信號，傳給控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)執(zhí)行控制算法，得出控制信號；MPW型功率放大器負(fù)責(zé)將控制系統(tǒng)傳來的十路電壓控制信號轉(zhuǎn)化為電流，流入電磁鐵的線圈，驅(qū)動電磁鐵產(chǎn)生電磁力，將轉(zhuǎn)子懸浮于空中（其中每一對磁鐵控制一個自由度）。監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測及在線顯示系統(tǒng)的位移和電流信號、電機(jī)驅(qū)動電流以及動量輪轉(zhuǎn)速等信息，并可進(jìn)行頻域分析[1]。本文研究的重點(diǎn)是控制系統(tǒng)，它是整個設(shè)備的核心，在很大程度上決定著設(shè)備的性能。

 

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件框圖及工作原理
    本文設(shè)計(jì)了基于TMS320C6713(以下簡稱6713)的便于實(shí)現(xiàn)集中控制算法的硬件平臺，在高性能CPU的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了集成度和可編程能力更高的AD、DA等芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

 

    TMS320C6713是目前TI公司推出的主流浮點(diǎn)型高端DSP，其浮點(diǎn)特性很好地滿足了磁軸承控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)計(jì)算精度和動態(tài)范圍的要求，同時簡化了算法中存在的大量浮點(diǎn)運(yùn)算代碼并提高了算法執(zhí)行速度。該CPU為32 位，內(nèi)置八個功能單元，最高300MHZ的時鐘主頻，2400MIPS、1800MFLOPS的運(yùn)算能力，可以進(jìn)行16/32/40位的整數(shù)運(yùn)算和32/64位的浮點(diǎn)運(yùn)算。具備超長指令字功能，含多級硬件流水線，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大。具備兩級緩存，程序和數(shù)據(jù)緩存各為4KB，有192KB的映射內(nèi)存和64KB的可配置內(nèi)存。大量的片內(nèi)存儲可以很好地滿足復(fù)雜算法對存儲空間的要求，簡化了外圍電路，提高了存取速度和可靠性。其片內(nèi)的EMIF并口可以方便地與目前出現(xiàn)的所有存儲實(shí)現(xiàn)無縫連接，EDMA的存在方便了數(shù)據(jù)的存取并減小了CPU的負(fù)荷，此外具有2個32位TIMER，2個MCBSP串口，兩個MCASP，兩個I2C，一個HPI接口和可配置的IO，可方便地與外圍器件進(jìn)行通訊。
    在硬件系統(tǒng)中，傳感器傳來的信號經(jīng)過抗混疊濾波后由AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后由DSP讀出；DA負(fù)責(zé)將DSP計(jì)算后寫入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制信號，經(jīng)過放大濾波后，傳給功放；同時兩路轉(zhuǎn)速信號(將兩個紅外探頭置于轉(zhuǎn)子的90度角上得到兩路信號)經(jīng)過脈沖處理電路后會形成一系列脈沖，產(chǎn)生中斷，通過對這兩個中斷信號分別計(jì)數(shù)，可以計(jì)算得出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；SDRAM負(fù)責(zé)存儲數(shù)據(jù)和結(jié)果，F(xiàn)LASH用于加載程序以使系統(tǒng)脫離仿真環(huán)境而獨(dú)立工作；串口負(fù)責(zé)DSP與PC之間的通訊。

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