基于三軸氣浮臺的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)物理仿真

劉 超，何 平，李 岐，華 楠

(哈爾濱工業(yè)大學航天學院控制科學與工程系，哈爾濱150001)

隨著航天航空工程的不斷深入發(fā)展，我國航天領域的科學技術迅猛進步，對姿態(tài)穩(wěn)定指向或跟蹤控制能力要求越來越高，系統(tǒng)功能更加復雜.作為空間飛行器全物理仿真的核心設備，氣浮臺的研究工作已經成為目前航天控制領域研究的重要方向[1].

在國外，各研究單位和企業(yè)部門對于氣浮臺的研究是伴隨著對于衛(wèi)星的研制而開始的，目前發(fā)展比較成熟.而國內的基于氣浮臺的衛(wèi)星全物理仿真的研究相比較國外而言起步晚，發(fā)展較慢，雖然說也取得了一定的成就，特別是近年來，氣浮臺的研制取得了長足的進步，但仍然有待改進，由于受技術條件限制，并沒得到廣泛的應用，因此僅用于航天工程領域的仿真試驗中[2].

本文基于TMS320F2812設計了基于三軸氣浮臺的衛(wèi)星姿態(tài)仿真系統(tǒng)的舉升控制系統(tǒng)，又稱為安全輔助系統(tǒng)，以達到保證平臺安全性和協(xié)助重心調平的目的.衛(wèi)星全物理仿真的目的是提高衛(wèi)星在軌運行的可靠性，減少衛(wèi)星姿態(tài)失控的風險[3].為了平衡掉衛(wèi)星姿態(tài)動力學對象的重力進而模擬太空環(huán)境，氣浮臺采用一個球面氣浮軸承，提供三自由度微干擾力矩懸浮.

1 系統(tǒng)的原理及方案設計

氣浮臺的舉升控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示.

圖1 氣浮臺舉升控制系統(tǒng)結構

從結構形式上看，舉升控制系統(tǒng)分為:舉升控制主板、電動執(zhí)行器和無線通訊模塊.其中，電動執(zhí)行器由伺服電機驅動器和伺服電機組成.對于基于三軸氣浮臺的衛(wèi)星姿態(tài)物理仿真系統(tǒng)，氣浮平臺在浮起的時候提供三個自由度，如有外力作用，或重心發(fā)生偏移，極有可能造成倒臺，因此安全輔助子系統(tǒng)的作用顯得尤其重要.舉升控制系統(tǒng)電動立柱上的傳感器獲取力測量值，通過無線通訊模塊將所得信息傳遞給電子控制器，在設定的控制算法的作用下，計算出合適的控制量來驅動電機，以達到精準控制氣浮臺升降的目標，并協(xié)助重心調節(jié)系統(tǒng)工作[4].

2 總體結構設計

系統(tǒng)主要由舉升控制計算機、舉升控制主板、電動執(zhí)行器、無線通訊模塊和限位開關五部分組成.系統(tǒng)的總體結構如圖2所示.

圖2 舉升控制系統(tǒng)的總體結構框圖

氣浮臺舉升控制計算機，即上位機，是整個系 統(tǒng)的監(jiān)控平臺，采用工控機來實現，為測試系統(tǒng)提供友好的人機交互界面，通過測量數據、分析數據和設定參數，得到舉升臺面的相應參數.

氣浮臺舉升控制主板，即下位機，是整個系統(tǒng)的控制核心，根據用戶的給定命令值，結合各傳感器反饋的數據，按照設定算法，發(fā)出相應的控制指令.

舉升控制系統(tǒng)的電動執(zhí)行器推力可以克服最大可能重量偏心，當需要的時候，執(zhí)行器動作，使平臺歸位，在正常工作時，處于收縮狀態(tài)，平臺在工作范圍內自由轉動.力傳感器安裝在執(zhí)行器頂端，測量壓力值，可以粗調系統(tǒng)的平衡，以及平臺需要傾斜時，通過執(zhí)行器伸長達到控制臺面升降的目的.

舉升控制系統(tǒng)還包括限位機構，其中包括頂部限位和底部限位，作用是保護臺架不至于翻滾.

3 系統(tǒng)控制電路的實現

系統(tǒng)的控制電路結構框圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)的控制電路結構框圖

3.1 系統(tǒng)主控制器單元

采用德州儀器TI公司的TMS320F2812作為主控芯片，它具有強大的數字信號處理能力，片內集成了豐富的外設資源，為車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)的參數測量提供了極大的便利.考慮芯片的最小系統(tǒng)配置，該單元主要由以下幾個模塊組成:電源模塊、JTAG模塊、時鐘模塊、復位模塊、晶振模塊等[5].

3.2 RAM存儲器的擴展模塊

由于DSP主控芯片內部RAM容量有限，因此本主控系統(tǒng)對F2812進行了RAM存儲器的片外擴展.本主控系統(tǒng)采用IS61LV12816作為片外RAM擴展芯片，它是一種高速的靜態(tài)RAM，有17根地址總線，16根數據總線，其存儲空間為，由電源直接供電，同時兼容TTL與CMOS電平，無時鐘或刷新.

3.3 伺服電機驅動模塊

伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉的發(fā)動機，是一種變速裝置.可使控制速度和位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象.其在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，具有機電時間常數小、線性度高等優(yōu)點.

選用安川電機制作所推出的小型交流伺服電動機和驅動器SGDV，采用位置控制的控制方式，輸入信號為DSP主控芯片產生的指令脈沖，通過驅動器控制伺服電機運動，編碼器采用增量式，即將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小，本系統(tǒng)采用的伺服電機起動轉矩大，運行范圍較廣，無自轉現象，特別適合于控制領域[6].

3.4 通信單元

主控系統(tǒng)的通信單元主要用于控制電路和計算機之間的通信.由于工作環(huán)境的需要，系統(tǒng)采用無線通信模塊，臺上臺下無線實時通訊，方便主控系統(tǒng)與操作臺進行數據交換，具有建設工程周期短、適應性好和擴展性好的優(yōu)點[7].

4 軟件算法的實現

系統(tǒng)的控制電路的軟件部分運行于TMS320F2812中，軟件開發(fā)平臺為CCS3.3.程序主要以 C 語言完成[8－9]，CCS 是德州儀器 TI公司所設計的一款針對DSP的開發(fā)軟件，本設計使用該編程開發(fā)環(huán)境下的CCS3.3版本對主控系統(tǒng)的開發(fā).用戶通過CCS3.3進行程序編寫、在線編譯、調試等，其工作流程圖如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)軟件算法流程圖

氣浮臺的舉升控制作為安全輔助系統(tǒng)，保證了在正常工作和失控情況下平臺的安全性.在平臺初始狀態(tài)下，舉升控制系統(tǒng)提供方便，達到控制臺面升降的目的.另外，重心調節(jié)系統(tǒng)與安全輔助系統(tǒng)建為一體，成功地輔助重心調節(jié)系統(tǒng)進行了重心的調整.

5 結語

本文設計的基于三軸氣浮臺的衛(wèi)星姿態(tài)物理仿真的舉升控制系統(tǒng)，運用DSP技術實現了保證平臺安全性和協(xié)助重心調節(jié)系統(tǒng)工作的目標.實驗結果表明，舉升控制系統(tǒng)作為衛(wèi)星姿態(tài)仿真系統(tǒng)中重要的一部分，能夠快速地做出響應，經濟實用，明顯提高了控制系統(tǒng)的精度，在全物理衛(wèi)星仿真中具有獨特的作用，具有很高的實用價值，對于三軸氣浮臺的研究與發(fā)展具有非常重要的意義.

[1]劉良棟.衛(wèi)星控制系統(tǒng)仿真技術[M].北京:宇航出版社，2003.56－58.

[2]魯興舉.空間飛行器姿態(tài)控制仿真試驗平臺系統(tǒng)研究與設計[D].北京:國防科學技術大學，2005.17－21.

[3]陳歡龍，周 軍，劉瑩瑩，等.三軸氣浮臺多體動力學建模與仿真[J].西北工業(yè)大學學報，2010，26(3):332－337.

[4]李延彬，包 剛，王祖溫，等.三自由度氣浮臺自動平衡系統(tǒng)動力學建模[J].中國慣性技術學報，2005，21(5):1－3.

[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320C28X系列 DSP的CPU與外設(上)[M].張衛(wèi)寧譯.北京:清華大學出版社，2005.12－30.

[6]史孝文.基于DSP的直流伺服電機控制系統(tǒng)研究開發(fā)[D].昆明:昆明理工大學，2005.

[7]任明榮.短距離無線通信技術及其融合發(fā)展研究[J].電測與儀表，2007，44(502):44 －49.

[8]孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發(fā)[M].北京:清華大學出版社，2008.15－19.

[9]王 純.高超聲速飛行器上升段軌跡設計[J].哈爾濱商業(yè)大學學報:自然科學版，2014，30(6):728－731.