基于集成電路的控制力矩陀螺控制系統設計

王　燦，唐國元，黃道敏

(1.華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢空軍預警學院，湖北 武漢 430010)

Design of Control Moment Gyro Control System Based on Integrated Circuit

WANG Can1，TANG Guoyuan1，HUANG Daomin2

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan 430074，China；2.Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430010，China)

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基于集成電路的控制力矩陀螺控制系統設計

王燦1，唐國元1，黃道敏2

(1.華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；2.武漢空軍預警學院，湖北 武漢 430010)

Design of Control Moment Gyro Control System Based on Integrated Circuit

WANG Can1，TANG Guoyuan1，HUANG Daomin2

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan 430074，China；2.Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430010，China)

摘要：控制力矩陀螺(CMG)作為姿態控制執行機構，相比于傳統控制方法有諸多優勢，同樣也對機電控制系統有更高的性能要求。提出了一種基于MC33035、L298N和STC12C5A60S2等集成電路的CMG控制系統，介紹了系統構成，分析并設計系統各部分硬件電路及相應軟件。通過該系統實現了對CMG的有效控制，并給出測試波形及實驗結果。

關鍵詞：控制力矩陀螺；MC33035；L298N；STC單片機

0　引言

衛星等航天器廣泛采用CMG作為姿態控制執行機構，應用時間久，技術成熟。控制力矩陀螺能夠連續光滑地輸出力矩，用于姿態控制，具有高精度、高穩定性控制和零回轉半徑等優點。此外，CMG是內部驅動機構，不會破壞控制對象外形的完整，且輸出直接作用于控制對象。這些優點極大地擴展了CMG的應用領域，如用作水下航行體姿態控制執行機構。CMG是內部驅動機構，相比于目前傳統的水下航行體姿態控制方式有許多優勢。CMG包含在航行體里面，不破壞航行體外形的完整性，也不與惡劣的水下環境相接觸[1]。目前，關于CMG應用于水下航行體的應用研究比較少，且大都停留在理論研究與實驗階段。

控制力矩陀螺有不同類型，空間構型方式更是多樣。按照框架類型分為單框架(SG)和雙框架(DG)，常見的空間構型有金字塔型、四棱錐型和五棱錐型等。單框架控制力矩陀螺(SGCMG)系統雖然奇異現象嚴重，操縱律也比較復雜，但是具有機械結構簡單、輸出力矩大(力矩放大作用)等優點[2]。

因此，設計了一種控制系統方案，實現了該控制系統硬件電路并完成相應控制程序，對該控制電路進行測試，達成了對CMG的有效控制。

1　控制系統總體方案

SGCMG由2部分組成，即高速轉動提供角動量的陀螺轉子，和用于改變陀螺角動量方向的框架。陀螺轉子轉速高且精度要求高，選用無刷直流電機(BLDC)驅動，具有轉速范圍高、動態響應快、噪聲小和高效率等優點。陀螺框架改變陀螺轉軸方向，進而控制空間角動量矢量合成方向以輸出控制力矩，因此轉速低輸出力矩大。陀螺框架驅動電機選用蝸輪蝸桿減速電機，輸出力矩大而且啟停及正反轉控制簡單可靠。基于專用的電機驅動集成電路設計BLDC和直流電機的驅動器，以實現對高速電機的加速過程及轉速穩定控制，實現對渦輪蝸桿減速電機的實時控制。驅動器輸出直接作用于電機本體，其輸入由下位機控制器給出，包括使能、調速和轉向等控制信號，同時驅動器也向下位機反饋電機的狀態。下位機單片機控制器控制1組CMG，也就是控制1組高速電機和力矩電機，因此，設計相應通信、D/A、數碼管顯示等模塊。CMG控制系統結構如圖1所示。

圖1　CMG控制系統

2　CMG電機驅動與控制硬件電路設計

CMG控制系統硬件包括單片機控制、BLDC驅動器和直流電機驅動器。設計基于MC33035的高速電機和基于L298N的力矩電機驅動硬件電路，兩者都可以通過PWM進行速度調節，因此選用帶有2路PWM輸出的單片機設計控制器。

2.1基于MC33035的無刷直流電機驅動器

MC33035 是第二代的無刷直流電動機控制器專用集成電路，外接功率開關器件后，可用來控制三相(全波或半波)、兩相和四相無刷直流電動機[3]。其集成了1個用于良好整流序列的轉子位置譯碼器，監控BLDC的3個霍爾傳感器輸入，進而根據控制信號提供頂端、底端驅動輸出的正確時序，以控制功率驅動電路。MC33035內置了可訪問誤差信號放大器、脈寬調制比較器、可編程鋸齒波振蕩器以及欠壓鎖定、逐周限流、熱關斷等保護電路。電機控制系統的組成如圖2所示。

圖2　高速電機控制系統

由于所采用的無刷直流電機為三相Y型繞組，霍爾傳感器為60°相位，故采用兩兩導通的三相橋式逆變電路。MC33035根據當前霍爾傳感器反饋的位置信號，參考三相六步轉向器真值表，按照一定的順序控制電橋驅動電路的啟閉，以驅動BLDC轉子運轉。可完全訪問的誤差放大器是實現控制信號速度閉環控制的關鍵，誤差放大器同相輸入的模擬量為速度控制信號，該模擬量信號由單片機控制器給出。霍爾傳感器位置信號通過MC33039產生1個有一定幅度和頻率的脈沖波，通過預置為積分器的誤差放大器積分，產生一個與電機轉速成正比的直流電壓信號。誤差放大器將此電壓信號與速度設定的電壓信號相比較以控制PWM，形成閉合的反饋環路。同樣，該脈沖波波形良好，可作為單片機外部中斷輸入信號以測量電機轉速。

2.2基于L298N的渦輪減速電機驅動器

力矩電機選用直流渦輪減速電機，為提高系統效率、降低功耗，采用基于集成電路L298N為核心的驅動電路，如圖3所示。L298N是SGS公司生產的直流電機驅動集成電路，是體積小、驅動能力強的高效能脈寬調制功率放大器。其內部包含了2個H橋高電壓大電流橋式驅動器、四通道邏輯驅動電路，可以驅動2個直流電機，使用單片機可以實現PWM調速和啟停及轉向控制。

由續流二極管構成的“H橋”，作為L298N的輔助電路來實現隨直流電機的控制。在這里，二極管起到了續流的作用[4]。單片機控制器PWM輸出通過ENA對電機1進行調速，通過控制IN1和IN2控制電機1的轉向和制動，IN1和IN2為00或11時電機制動。

圖3　基于L298N的直流電機驅動硬件電路

2.3CMG控制器硬件電路

為增大力矩輸出和提高系統可靠性，執行機構一般使用多組SGCMG形成特定空間構型的單框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)。控制力矩陀螺的高速電機和力矩電機驅動器由同一個單片機控制器進行控制，該單片機有自己的地址，采用多機通信的方式通信，方便CMG系統的擴展。STC12C5A60S2是STC Micro公司生產的高速、低功耗新一代8051單片機，用于電機控制、強干擾場合。STC12C5A60S2是真正能獨立工作的片上系統，有2路8位PWM輸出，支持多機通信模式。STC12C5A60S2的功能均可由用戶進行設置使能和禁止[5]。控制器不僅包括單片機最小系統的電源模塊、復位電路，還包括了五位七段數碼管、D/A模塊和485通信模塊(如圖4所示)。

圖4　485通信模塊與D/A模塊

RS485采用差分信號負邏輯，其接口支持點對多點通信，半雙工通信，通信距離達1 200 m。由于現場RS485網絡的通信載體一般采用雙絞線，它的特性阻抗為120 Ω左右，可在位于總線兩端的差分端口A與B之間跨接120 Ω匹配電阻。

基于MC33035的高速電機驅動器需要模擬量輸入進行速度調節，因此需要D/A模塊。MC33035輸出標準6.25 V電壓作為調速模擬量輸入的參考電壓，因此D/A模塊要進行放大，使PWM占空比輸出范圍0～100%對應0～6.25 V模擬量輸出。

3　控制系統軟件設計

控制力矩陀螺執行機構一般由多組CMG形成空間構型的SGCMGs，因此，多組控制器都要與上位機PC之間進行實時通信，故選擇PC與單片機多機通信的方式，每個單片機都有自己的地址。首先定義通信數據包格式，如表1所示，數據包包含地址、控制數據和校驗等8字節。

表1上下位機通信數據包格式定義

數據包字節號B0B1B2B3B4B5B6B7上位機向下位機地址高速/力矩轉向PWM備用備用校驗校驗下位機向上位機地址力矩轉速轉向BLDC轉速備用校驗校驗

在單片機多機通信中，利用多機通信控制位SM2，可實現主機與從機的一對一通信[6]。STC12C5A60S2的多機通信模式由控制位SM2和TB8實現，SM2置0或1可以使單片機在數據接收和地址監聽狀態之間轉換，上位機發送數據第9位為0或1決定該字節為數據還是地址。在半雙工通信情況下，發送和接收共用一個物理通道，在任意時刻只允許1臺單機處于發送狀態，因此要求應答的單機必須在偵聽到總線上呼叫信號己經發送完畢，并且沒有其他單機發出應答信號的情況下才能應答[7]。

通信過程如下所述。

a.所有單片機SM2=1，處于地址監聽狀態，PC上位機VC串口通信MSComm控件的Settings屬性設置為MASK校驗，使通信數據第9位置1。

b.PC發送某個單片機地址，所有從機接收地址與自身地址比較，地址相同SM2清零并將地址返回，地址不同則繼續監聽。

c.PC接收到從機返回地址，修改Setting屬性為SPACE校驗，使后續發送的全是數據。從機接收與發送完畢后，置位SM2，恢復地址監聽。

單片機從機通信中斷服務流程如圖5所示。

外部中斷對MC33039輸出脈沖波進行計數，定時器進行計時，經過計算轉換成電機實時轉速。該轉速值通過五位七段數碼管顯示，并作為反饋參與轉速閉環控制。

圖5　單片機多機通信串口中斷服務程序流程

4　測試與試驗結果

設計并實現了單片機軟硬件系統，其中，上位機PC利用MSComm編寫上位機控制界面通訊程序。使用四通道示波器對4組單片機控制器進行檢測，測試上下位機多機通信的可靠性以及對輸入輸出數據進行檢測分析。通過多次試驗，上位機和從機單片機之間可以可靠地進行多機實時通信。上位機設定高速電機最高轉速為10 000 r/min時，速度開環控制狀態下，上位機設置4組單片機不同轉速對應的PWM波形與D/A模擬量輸出，其數據如表2所示。

控制系統與控制力矩陀螺機械系統現場聯調，高速電機可平穩地驅動陀螺轉子加速到8 000 r/min，低速力矩電機啟停及正反轉響應迅速，也可通過上位機程序實現對CMG執行機構的自動化控制。

表24組高速電機轉速控制輸出

測試項目1號單片機2號單片機3號單片機4號單片機上位機設定轉速/(r·min-1)1000200040008000PWM占空比/%10.0920.5040.2980.21D/A模擬量/V0.6281.222.414.90

5　結束語

基于各專用集成電路設計CMG控制系統，實現各軟硬件部分，包括電機驅動器、下位機單片機控制器及控制程序和PC上位機控制程序。本控制系統的軟件和硬件部分都經調試通過，已經應用于基于CMG的水下航行體姿態控制實驗。根據實際應用情況，選擇合適的硬件電路并修改相關參數，使其適用于本系統，將各電路整合在一起用于CMG系統的控制，并完成了相關程序。降低了控制系統成本，同時使各控制功能硬件模塊化，方便更換和升級更新。

參考文獻：

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[3]姚嘉，劉剛，房建成.控制力矩陀螺用高速高精度無刷直流電機控制系[J].微計算機信息，2005，21(25)：3-5.

[4]雷紅淼，程耀瑜.基于L298N的直流電機驅動電路優化設計[J].數字技術與應用，2012(2)：118，120.

[5]宋鳳娟，付侃，薛雅麗.STC12C5A60S2單片機高速A/D轉換方法[J].煤礦機械，2010，31(6)：219-221.

[6]吳興中，歐青立.一種PC與單片機多機RS232串口通信設計[J].國外電子測量技術，2009，28(1)：74-76.

[7]胡中功，黃波，江維.基于RS485總線的PC與單片機多機通信系統設計[J].自動化與儀器儀表，2012(1)：30-31，35.

Abstract：Control moment gyros (CMG) have many advantages as attitude control actuators compared to the traditional control methods which also have higher requirements regarding the performance of mechanical and electrical systems. This paper puts forward a CMG control system based on integrated circuits MC33035，L298N and STC12C5A60S2，introduces the system structure，analyzes and describes the design of the hardware circuit and corresponding software. By means of said system, effective control of CMG is realized. Test waveforms and experiments results are given.

Key words：control moment gyro；MC33035；L298N；STC microcontroller

作者簡介：王燦(1989-)，男，安徽淮北人，碩士研究生，主要從事機電控制、微機控制研究；唐國元(1973-)，男，苗族，湖北利川人，碩士研究生導師，主要從事水下作業系統及水下機器人、艦船機電控制及仿真研究。

基金項目：湖北省自然科學基金(2013CFB154)；上海交通大學海洋工程國家重點實驗室開放基金(1304)

收稿日期：2015-03-05

文章編號：1001-2257(2015)06-0047-04

文獻標識碼：A

中圖分類號：V448；TP273