在太空应用中平衡电机控制、抗辐射性与功耗的有效方案,该文是电机控制毕业论文题目范文和抗辐射和抗辐射性和平衡电机控制有关毕业论文提纲范文.
电机控制论文参考文献：
在卫星发射之后进行维修或返工均是不切实际的,因此在太空应用中需要尽可能高的可靠性.通过数字式控制电机,可以实现复杂的故障检测、隔离和恢复算法,从而增加电机的使用寿命,进而最大限度地延长卫星的使用寿命.此外,数字式控制允许收集有关电机性能的遥测数据,并传输到地球上的卫星控制站.通过数字控制,可以部署高效节能的电机控制算法,以最大限度地减少卫星上太阳能电池板产生的或存储在电池中的电量消耗.由于外层空间的资源极为有限,有效节能和故障保护应该都是航天器优先考虑的重点.
故障保护：宇宙辐射
太空中的宇宙辐射是一个众所周知的问题,它会对实现数字控制的ASIC 和FPGA 构成威胁,并损坏控制数据,从而使整个系统无法运行.处理宇宙辐射对航天设备的影响是一个非常重要而又复杂的过程.如闩锁效应和单一事件干扰等单一事件的影响,可能会突然严重地损坏航天设备电子系统,而总离子剂量（TID）的暴露随时间累积,会逐渐导致电子系统超过规定的限制.飞行关键系统和任务关键系统需要被设计成具有完善的和记录详尽的辐射效应容差组件.
可靠性与资质认证
尽管可靠的工艺与技术是航空航天应用中组件的明确必要条件,但这些还远远不够.需要对每个组件进行可靠性筛选,从而筛选出制造缺陷并消除早期故障或初期死亡.确保卫星数字控制系统中的每个组件符合行业标准,这与对组件功能本身的要求一样迫切.执行一个设计的更高效、更耐用的系统固然是很好的,但如果它在任务的整个预期寿命期间不能可靠地运行,最终也是没有意义的.这是航天工业采用和实施相关质量标准的主要目的,也是为什么要按照这些标准彻底测试每个组件的重要原因.
太空中任何一个零部件失效都可能会危及卫星任务,而这项任务往往需要花费数十亿美元、数十年的努力甚至包括人的生命,这就是为什么零件的引入资格需要最严厉的审查且测试要求最严格的原因.通过这种方式,QML 标准认证为那些致力于每颗卫星成本为1 亿~10 亿美元的卫星运营商们提供了保证,他们正在使用的组件已由行业专家评定为能够可靠用于飞行关键和生命关键的太空应用.如果他们将大量资金和精力投入到项目中并冒着生命危险进行努力,他们可以将认证资格作为投资的一种保证.
然而,为了让客户通过如此费劲的资格认证过程并在新型数字控制形式大量投入,这些系统必须具有某些明显优势.那么回到最初的问题,节能型数字电机控制到底应该是怎样的？
电机控制算法概要
无传感器磁场定向控制（FOC）理论是采用FPGA 控制基本永磁同步电机（PM）和无刷直流电机（BLDC）时的一种常用控制理论,其以精确的无传感器控制及同时优化控制资源而著称.FOC 系统由若干功能模块构成,每个模块均提供各种控制和反馈监视功能.数字控制系统通过电压和电流信号与电机通信,这些模块有助于传递必要信息.FOC 转换模块用于确保资源的最佳使用,而开环管理模块可以用于计算电机的位置和速度.当电机速度改变时,速度限制模块通过编程使其平滑过渡,此外还有许多其他模块来执行各种其他关键运行步骤.
另外,这些功能模块通常可以服务于多个功能以用于故障检测和目标重置.开环管理模块不仅可以跟踪电机位置和速度,还可以监控电机的反电动势,这些都可以作为电机反馈信号传送到速度限制器.例如,如果由未知的外部制动力引起反电动势存在不规则性,此时速率限制模块可以使用该数据立即迫使控制输出为零以进行自动重启,从促进各种位置传感器和速度传感器的反馈,并能够在很宽的速度范围内精确控制电机速度,甚至在检测失速和过流情况下,这些在数字电机控制结构中采用的算法提供了一套通用功能.这些功能最终将提高卫星的可靠性,保护电机并节省宝贵的电能.这是电机控制的未来发展趋势,目前一些耐辐射FPGA 可以成功应对这些挑战,同时具有减轻辐射效应的附加功能.
当前解决方案
最新的工业级FPGA 正在为这一未来铺平道路,其具有无传感器FOC 电机控制需要的所有IP,其主要优势是可将抗辐射电路直接硬连线到架构中.拥有超过10 万个三重冗余触发器,数Mb 的内部存储,耐辐射性强化后的配置存储器以及丰富的功能模块,用户I/O 口和以数Gbps 速度运行的SERDES 通道等,这些方案可用于处理数字电机控制等复杂太空任务.市场上也有很多开发套件可用于支持最新的FPGA,使得设计人员可以进行自定义测试并与主机PC 连接.
采用 R TG4 进行测试
采用美高森美的电机控制套件与RTG4 开发套件一起进行基准测试, 实现了无传感器FOC算法并同时独立运行4 个电机.测试结果表明RTG4 在平均工况下仅消耗0.6 W,在最恶劣工况下的功耗为1.8 W,功率效率与其资源效率相匹配,仅需要使用13％的资源.在电机控制模拟期间, 仅需要19000 个4 输入查找表和19000 个D 触发器, 分别相当于RTG4 FPGA 资源的12.9％和12.6％.
从设计输入转换到电机输出,所有4 台同步运行电机中最大电机性能可见转速超过5500rpm, 此时输入时钟频率为73MHz.在台架测试装置中只有4立控制的电机,然而该设计可以很容易地扩展到6 及以上台电机.从整体测试结果来看,基准测试表明了RTG4 能够有效处理多维任务,并为太空应用提供低功耗、辐射安全和高效率的解决方案.此外,为设计工程师提供RTG4电机控制套件等平台来试验和校准自身约束条件对于短期和长期的太空任务来说是非常宝贵的,特别是这种令人兴奋的技术进入如此具有发展潜力的市场.
未来意义
数字电机控制是获取太空应用中最高潜在可靠性的明确途径,这种方案的使用将带来全新节能水平,而嵌入在算法结构中的附加对策为电机和卫星仪器提供了更高层次的保护.但是仅仅保护数字控制下的元素是不够的,具有抗辐射的数字电子器件和FPGA 对于高可靠性的航天设备是同样重要的.数字式太空电子设备中的辐射减缓及适当的筛选资格将确保执行算法的控制中心受到保护并可由行业文档支持.
现代FPGA 中可运行的电机控制算法能够满足太空应用系统的性能要求,同时满足太空应用的辐射要求,并具有功耗最小、适应性好等特点.
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