本發(fā)明涉及一種磁懸浮控制力矩陀螺監(jiān)控系統(tǒng)，尤其涉及一種模擬火箭發(fā)射和在軌運行的磁懸浮控制力矩陀螺監(jiān)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

磁懸浮控制力矩陀螺采用磁懸浮的軸承支承方式，相對于機械滾珠軸承支承的機械控制力矩陀螺避免了機械軸承本身由于摩擦帶來的磨損，因此具有長壽命、低振動、高轉(zhuǎn)速等優(yōu)點，是大型航天器和空間站上重要的姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

磁懸浮控制力矩陀螺在地面的研發(fā)測試階段，需要對其在火箭發(fā)射和在軌運行兩種狀態(tài)下各種指標進行測試，以評估磁懸浮控制力矩陀螺的性能，現(xiàn)有的磁懸浮控制力矩陀螺采用分散控制，磁軸承裝置、高速電機裝置、框架伺服裝置和鎖緊解鎖裝置各有獨立的控制與通訊系統(tǒng)，通過電腦來單獨控制和檢測各個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，無法對磁懸浮控制力矩陀螺整體性能進行檢測、控制和評估，磁懸浮控制力矩陀螺在真實使用時也是作為一個整體與星載計算機進行通訊，因此現(xiàn)有的這種分散通訊和控制的方式無法模擬磁懸浮控制力矩陀螺的真實工況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述問題，本發(fā)明人進行了銳意研究，設(shè)計出一種模擬火箭發(fā)射和在軌運行的磁懸浮控制力矩陀螺監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)可以模擬磁懸浮控制力矩陀螺在火箭發(fā)射階段和在軌運行階段的工作狀態(tài)，并對磁懸浮控制力矩陀螺裝置進行集成化監(jiān)測、分析和控制。

具體來說，本發(fā)明的目的在于提供以下方面：

(1)一種模擬火箭發(fā)射和在軌運行的磁懸浮控制力矩陀螺監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，該監(jiān)控系統(tǒng)包括計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1、can-usb轉(zhuǎn)接卡2、監(jiān)控與通訊電路3和磁懸浮控制力矩陀螺裝置4，其中，

計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1具有顯示和信息交換作用，通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2同監(jiān)控與通訊電路3進行通訊，can-usb轉(zhuǎn)接卡2通過can總線與監(jiān)控與通訊電路3連接，

計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1還用于發(fā)出指令，從而設(shè)置磁懸浮控制力矩陀螺裝置4處于火箭發(fā)射狀態(tài)或在軌運行狀態(tài)；

(2)根據(jù)上述(1)所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，

所述計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1包括磁軸承設(shè)置與監(jiān)控界面11、高速電機設(shè)置與監(jiān)控界面12、框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面13、鎖緊解鎖設(shè)置與監(jiān)控界面14、工作環(huán)境監(jiān)測界面15和主界面16，

所述監(jiān)控與通訊電路3包括通訊電路301、dsp+fpga數(shù)控單元302、磁軸承驅(qū)動電路303、磁軸承監(jiān)測電路304、高速電機驅(qū)動電路305、高速電機監(jiān)測電路306、框架伺服驅(qū)動電路307、框架伺服監(jiān)測電路308、鎖緊解鎖驅(qū)動電路309、鎖緊解鎖監(jiān)測電路310、工作環(huán)境監(jiān)測電路311，

所述磁懸浮控制力矩陀螺裝置4包括磁軸承裝置41、高速電機裝置42、框架伺服裝置43和鎖緊解鎖裝置44；

(3)根據(jù)上述(2)所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述dsp+fpga數(shù)控單元302主要由磁軸承位置環(huán)控制器、磁軸承電流環(huán)控制器、高速電機速率環(huán)控制器、高速電機電流環(huán)控制器、框架角位置環(huán)控制器、框架角速度環(huán)控制器、框架電流環(huán)控制器、鎖緊解鎖控制器組成；

(4)根據(jù)上述(2)所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，

所述dsp+fpga數(shù)控單元302與磁軸承驅(qū)動電路303和磁軸承監(jiān)測電路304組成閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對磁軸承裝置41的控制與檢測，

所述dsp+fpga數(shù)控單元302與高速電機驅(qū)動電路305和高速電機監(jiān)測電路306組成閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對高速電機裝置42的控制與檢測，

所述dsp+fpga數(shù)控單元302與框架伺服驅(qū)動電路307和框架伺服監(jiān)測電路308組成閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對框架伺服裝置43的控制與檢測，

所述dsp+fpga數(shù)控單元302與鎖緊解鎖驅(qū)動電路309和鎖緊解鎖監(jiān)測電路310組成閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對鎖緊解鎖裝置44的控制與檢測；

(5)根據(jù)上述(4)所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，

所述計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1對磁懸浮控制力矩陀螺裝置4發(fā)出指令，can-usb轉(zhuǎn)接卡2接收到所述指令并將指令傳送給監(jiān)控和通訊電路3，

所述監(jiān)控和通訊電路3的dsp+fpga數(shù)控單元302接收到所述指令后對磁軸承驅(qū)動電路303、高速電機驅(qū)動電路305、框架伺服驅(qū)動電路307、鎖緊解鎖驅(qū)動電路309進行控制，從而使磁軸承裝置41、高速電機裝置42、框架伺服裝置43和鎖緊解鎖裝置44完成相應(yīng)的功能；

(6)根據(jù)上述(4)所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，

所述監(jiān)控和通訊電路3的dsp+fpga數(shù)控單元302接收磁軸承監(jiān)測電路304、高速電機監(jiān)測電路306、框架伺服監(jiān)測電路308、鎖緊解鎖監(jiān)測電路310和工作環(huán)境監(jiān)測電路311傳送的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對磁軸承裝置41、高速電機裝置42、框架伺服裝置43和鎖緊解鎖裝置44的工況以及工作環(huán)境的檢測，

并通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2將數(shù)據(jù)傳送給計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1，再分別通過磁軸承設(shè)置與監(jiān)控界面11、高速電機設(shè)置與監(jiān)控界面12、框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面13、鎖緊解鎖設(shè)置與監(jiān)控界面14、工作環(huán)境監(jiān)測界面15進行顯示；

(8)根據(jù)上述(1)～(7)任一項所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，

所述計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1可以通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2和監(jiān)控與通訊電路3進行通訊，設(shè)置磁懸浮控制力矩陀螺裝置4處于火箭發(fā)射狀態(tài)，即向監(jiān)控與通訊電路3發(fā)送火箭發(fā)射狀態(tài)指令，

監(jiān)控與通訊電路3中的dsp+fpga數(shù)控單元302接到指令后控制鎖緊解鎖驅(qū)動電路309驅(qū)動超聲波電機轉(zhuǎn)動，直到鎖緊解鎖監(jiān)測電路310檢測到內(nèi)部鎖緊微動開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，完成鎖緊解鎖機構(gòu)44對磁懸浮轉(zhuǎn)子的鎖緊，

磁軸承驅(qū)動電路303輸出正弦形式和階躍形式的電壓使磁軸承裝置41產(chǎn)生驅(qū)動力和力矩模擬火箭發(fā)射狀態(tài)磁懸浮轉(zhuǎn)子所受到的振動和沖擊，磁軸承監(jiān)測電路304檢測磁懸浮轉(zhuǎn)子的振動位移量是否超過安全閾值，

振動位移量和鎖緊解鎖裝置44的狀態(tài)通過監(jiān)控與通訊電路3和can-usb轉(zhuǎn)接卡2傳送至計算機模擬監(jiān)控界面1進行顯示，以監(jiān)測磁懸浮控制力矩陀螺裝置4在火箭發(fā)射階段承受振動和沖擊的工況；

(9)根據(jù)上述(1)～(7)任一項所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1可以通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2和監(jiān)控與通訊電路3進行通訊，設(shè)置磁懸浮控制力矩陀螺裝置4處于在軌運行狀態(tài)，監(jiān)控與通訊電路3通過dsp+fpga數(shù)控單元302向鎖緊解鎖驅(qū)動電路309、磁軸承驅(qū)動電路303、高速電機驅(qū)動電路305和框架伺服驅(qū)動電路307分別發(fā)出解鎖磁懸浮轉(zhuǎn)子指令、懸浮指令、升速指令、角位置和角速度指令；

(10)根據(jù)上述(9)所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，

鎖緊解鎖驅(qū)動電路309執(zhí)行監(jiān)控與通訊電路3的解鎖磁懸浮轉(zhuǎn)子指令，鎖緊解鎖監(jiān)測電路310實時檢測鎖緊解鎖裝置44的狀態(tài)，直至鎖緊解鎖裝置44處于解鎖狀態(tài)完成解鎖，

磁軸承驅(qū)動電路303執(zhí)行監(jiān)控與通訊電路3發(fā)送的懸浮指令，驅(qū)動磁軸承裝置41保持磁懸浮轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定懸浮的狀態(tài)，磁軸承監(jiān)測電路304實時檢測，驅(qū)動磁軸承裝置41的狀態(tài)，

高速電機驅(qū)動電路305執(zhí)行監(jiān)控與通訊電路3發(fā)送的升速指令，驅(qū)動高速電機裝置42使磁懸浮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并升速至額定值，高速電機監(jiān)測電路306實時檢測驅(qū)動高速電機裝置42的狀態(tài)，

框架伺服驅(qū)動電路307執(zhí)行監(jiān)控與通訊電路3發(fā)送的角位置和角速度指令，驅(qū)動框架伺服裝置43轉(zhuǎn)動，框架伺服監(jiān)測電路308實時檢測驅(qū)動框架伺服裝置43的狀態(tài)，

工作環(huán)境監(jiān)測電路311實時對工作環(huán)境進行檢測，

其中，磁軸承監(jiān)測電路304、高速電機監(jiān)測電路306、框架伺服監(jiān)測電路308、鎖緊解鎖監(jiān)測電路310和工作環(huán)境監(jiān)測電路311的檢測輸出通過監(jiān)控與通訊電路3和can-usb轉(zhuǎn)接卡2傳送至計算機模擬監(jiān)控界面1進行顯示，監(jiān)控磁懸浮控制力矩陀螺裝置4在軌運行狀態(tài)的工況。

本發(fā)明所具有的有益效果包括：

(1)該監(jiān)控系統(tǒng)可模擬磁懸浮控制力矩陀螺裝置在火箭發(fā)射和在軌運行兩個階段的工作情況，既模擬磁懸浮控制力矩陀螺裝置在火箭發(fā)射階段承受振動和沖擊的工況，測試磁懸浮轉(zhuǎn)子的振動位移大小和鎖緊解鎖裝置的狀態(tài)，又可模擬磁懸浮控制力矩陀螺在軌運行時輸出控制力矩的工況，測試該工況下各裝置及工作環(huán)境的各項參數(shù)和性能；

(2)該監(jiān)控系統(tǒng)的計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面嵌入了很多數(shù)據(jù)處理、分析程序，比如帶寬測試中幅值比和相位差的矩陣算法、故障檢測與報警等，使磁懸浮控制力矩陀螺的檢測和控制更為全面和直觀；

(3)該監(jiān)控系統(tǒng)把現(xiàn)有的磁軸承裝置、高速電機裝置、框架伺服裝置和鎖緊解鎖裝置的分散通訊方式改為作為一個整體與dsp+fpga數(shù)控單元連接，并通過一路can總線與計算機模擬監(jiān)控界面通訊，很好的模擬了磁懸浮控制力矩陀螺在衛(wèi)星上的通訊狀態(tài)；

(4)該監(jiān)控系統(tǒng)所采用的can總線具有高可靠、高速、實時性好、線路簡單等優(yōu)點，能夠很好地滿足磁懸浮控制力矩陀螺復(fù)雜、多樣、實時控制的需求，使該監(jiān)控系統(tǒng)對磁懸浮控制力矩陀螺的檢測和控制更為全面、直觀、可靠。

附圖說明

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的結(jié)構(gòu)組成框圖；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的計算機設(shè)置與監(jiān)控界面的組成框圖；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的監(jiān)控與通訊電路原理框圖；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的通訊電路的電路圖；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的dsp+fpga數(shù)控單元的電路圖；

圖6示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的磁軸承驅(qū)動電路的電路圖；

圖7示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的電流傳感器的電路圖；

圖8示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的磁軸承監(jiān)測電路中的電渦流傳感器電路圖；

圖9a示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的高速電機驅(qū)動電路中驅(qū)動芯片的電路圖；

圖9b示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的高速電機驅(qū)動電路中驅(qū)動芯片的電路圖；

圖9c示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的高速電機驅(qū)動電路中buck電路、brake電路和三相逆變橋的電路圖；

圖10a示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的框架伺服驅(qū)動電路中驅(qū)動芯片的電路圖；

圖10b示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的框架伺服驅(qū)動電路中驅(qū)動芯片的電路圖；

圖10c示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的框架伺服驅(qū)動電路中三相逆變橋的電路圖；

圖11a示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的旋轉(zhuǎn)變壓器激磁電路的電路圖；

圖11b示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的軸角解碼芯片的電路圖；

圖12示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的鎖緊解鎖驅(qū)動電路的電路圖；

圖13示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的鎖緊解鎖裝置的示意圖；

圖14示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的模擬火箭發(fā)射狀態(tài)的磁軸承控制系統(tǒng)示意圖；

圖15示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的框架伺服監(jiān)控界面進行磁懸浮控制力矩陀螺裝置帶寬自測試的子顯示界面圖；

圖16示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的運行流程圖。

附圖標號說明：

1-計算機設(shè)置與監(jiān)控界面；

11-磁軸承設(shè)置與監(jiān)控界面；

12-高速電機設(shè)置與監(jiān)控界面；

13-框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面；

14-鎖緊解鎖設(shè)置與監(jiān)控界面；

15-工作環(huán)境監(jiān)控界面；

16-主界面；

2-can-usb轉(zhuǎn)接卡；

3-監(jiān)控與通訊電路；

301-通訊電路；

302-dsp+fpga數(shù)控單元；

303-磁軸承驅(qū)動電路；

304-磁軸承檢測電路；

305-高速電機驅(qū)動電路；

306-高速電機檢測電路；

307-框架伺服驅(qū)動電路；

308-框架伺服檢測電路；

309-鎖緊解鎖驅(qū)動電路；

310-鎖緊解鎖檢測電路；

311-工作環(huán)境檢測電路；

4-磁懸浮控制力矩陀螺裝置；

41-磁軸承裝置；

42-高速電機裝置；

43-框架伺服裝置；

44-鎖緊解鎖裝置。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。通過這些說明，本發(fā)明的特點和優(yōu)點將變得更為清楚明確。

在這里專用的詞“示例性”意為“用作例子、實施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實施例不必解釋為優(yōu)于或好于其它實施例。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種模擬火箭發(fā)射和在軌運行的磁懸浮控制力矩陀螺監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示，該監(jiān)控系統(tǒng)包括計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1、can-usb轉(zhuǎn)接卡2、監(jiān)控與通訊電路3和磁懸浮控制力矩陀螺裝置4，其中，計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2同監(jiān)控與通訊電路3進行通訊，設(shè)置磁懸浮控制力矩陀螺裝置4處于火箭發(fā)射狀態(tài)或在軌運行狀態(tài)。

所述計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1包括磁軸承設(shè)置與監(jiān)控界面11、高速電機設(shè)置與監(jiān)控界面12、框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面13、鎖緊解鎖設(shè)置與監(jiān)控界面14、工作環(huán)境監(jiān)測界面15和主界面16；所述監(jiān)控與通訊電路3包括通訊電路301、dsp+fpga數(shù)控單元302、磁軸承驅(qū)動電路303、磁軸承監(jiān)測電路304、高速電機驅(qū)動電路305、高速電機監(jiān)測電路306、框架伺服驅(qū)動電路307、框架伺服監(jiān)測電路308、鎖緊解鎖驅(qū)動電路309、鎖緊解鎖監(jiān)測電路310、工作環(huán)境監(jiān)測電路311；所述磁懸浮控制力矩陀螺裝置4包括磁軸承裝置41、高速電機裝置42、框架伺服裝置43和鎖緊解鎖裝置44；本發(fā)明將磁軸承裝置41、高速電機裝置42、框架伺服裝置43和鎖緊解鎖裝置44作為一個整體即磁懸浮控制力矩陀螺裝置4與dsp+fpga數(shù)控單元302連接，實現(xiàn)了集成化控制與檢測；dsp+fpga數(shù)控單元302通過一路can總線與計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1進行通訊，使該監(jiān)控系統(tǒng)對磁懸浮控制力矩陀螺裝置4的控制和檢測更為全面、直觀、可靠；其中，

所述磁軸承設(shè)置與監(jiān)控界面11用于對磁軸承裝置41發(fā)出運行指令，并顯示其實際工作狀態(tài)；所述高速電機設(shè)置與監(jiān)控界面12用于對高速電機裝置42發(fā)出運行指令，并顯示其實際工作狀態(tài)；所述框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面13用于對框架伺服裝置43發(fā)出運行指令，并顯示其實際工作狀態(tài)；所述鎖緊解鎖設(shè)置與監(jiān)控界面14用于對鎖緊解鎖裝置44發(fā)出運行指令，并顯示其實際工作狀態(tài)；所述工作環(huán)境監(jiān)測界面15用于顯示該監(jiān)控系統(tǒng)工作環(huán)境的各項參數(shù)，所述主界面16用于提供磁軸承設(shè)置與監(jiān)控界面11、高速電機設(shè)置與監(jiān)控界面12、框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面13、鎖緊解鎖設(shè)置與監(jiān)控界面14和工作環(huán)境監(jiān)測界面15的快捷方式；

所述can-usb轉(zhuǎn)接卡是與can總線相連的usb轉(zhuǎn)接卡，usb是英文universalserialbus(通用串行總線)的縮寫，而其中文簡稱為“通串線”，是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。can-usb轉(zhuǎn)接卡提供can總線通訊與usb通訊轉(zhuǎn)換的功能，通過can-ubs轉(zhuǎn)接卡連接監(jiān)控與通訊電路3與計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1，實現(xiàn)監(jiān)控與通訊電路3中can通訊數(shù)據(jù)與計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1中usb通訊數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

所述can總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現(xiàn)場總線，其中，can是controllerareanetwork的縮寫，即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇；can總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。can總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。

所述通訊電路301用于通訊連接，并與計算機設(shè)置與模擬界面1進行數(shù)據(jù)交換；所述dsp+fpga數(shù)控單元302分別與磁軸承驅(qū)動電路303、磁軸承監(jiān)測電路304、高速電機驅(qū)動電路305、高速電機監(jiān)測電路306、框架伺服驅(qū)動電路307、框架伺服監(jiān)測電路308、鎖緊解鎖驅(qū)動電路309、鎖緊解鎖監(jiān)測電路310、工作環(huán)境監(jiān)測電路311相連，以實現(xiàn)對磁懸浮控制力矩陀螺裝置4的控制與檢測以及對工作環(huán)境的檢測，并與通訊電路301進行平行數(shù)據(jù)傳輸；所述磁軸承驅(qū)動電路303，用于驅(qū)動磁軸承裝置41；所述磁軸承監(jiān)測電路304，用于檢測磁軸承裝置41的工作狀態(tài)，例如：位移值、電流值、章動幅值、定子溫度值和各控制參數(shù)；所述高速電機驅(qū)動電路305，用于驅(qū)動高速電機裝置42；所述高速電機監(jiān)測電路306，用于檢測高速電機裝置42的工作狀態(tài)，例如：轉(zhuǎn)速值、電流值、溫度值和各控制參數(shù)值；所述框架伺服驅(qū)動電路307，用于驅(qū)動框架伺服裝置43；所述框架伺服監(jiān)測電路308，用于檢測框架伺服裝置43的工作狀態(tài)，例如，角位置值、角速度值、電流值、控制精度、控制穩(wěn)定度、帶寬測試的兩條角速度曲線及其幅值比和相位差、各控制參數(shù)值；所述鎖緊解鎖驅(qū)動電路309，用于驅(qū)動鎖緊解鎖裝置44；所述鎖緊解鎖監(jiān)測電路310，用于檢測鎖緊解鎖裝置44的工作狀態(tài)，例如：鎖緊狀態(tài)、解鎖狀態(tài)，工作環(huán)境的溫度值和真空度值，以及陀螺工作狀態(tài)、陀螺輸出力矩、陀螺驅(qū)動功耗；所述工作環(huán)境監(jiān)測電路311，用于檢測該監(jiān)控系統(tǒng)工作環(huán)境的各項參數(shù)。

所述磁軸承裝置41，用于完成浮起或落下磁懸浮轉(zhuǎn)子的功能；所述高速電機裝置42，用于完成升速穩(wěn)速和降速的功能，所述框架伺服裝置43，用于完成角速度跟隨控制的功能，所述鎖緊解鎖裝置44，用于完成鎖緊和解鎖磁懸浮轉(zhuǎn)子的功能。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖1所示，dsp+fpga數(shù)控單元302與磁軸承驅(qū)動電路303和磁軸承監(jiān)測電路304組成閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對磁軸承裝置41的控制與檢測；dsp+fpga數(shù)控單元302與高速電機驅(qū)動電路305和高速電機監(jiān)測電路306組成閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對高速電機裝置42的控制與檢測；dsp+fpga數(shù)控單元302與框架伺服驅(qū)動電路307和框架伺服監(jiān)測電路308組成閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對框架伺服裝置43的控制與檢測；dsp+fpga數(shù)控單元302與鎖緊解鎖驅(qū)動電路309和鎖緊解鎖監(jiān)測電路310組成閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對鎖緊解鎖裝置44的控制與檢測；dsp+fpga數(shù)控單元302與工作環(huán)境檢測電路311連接，檢測工作環(huán)境及各項參數(shù)。

在進一步優(yōu)選的實施方式中，所述計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1對磁懸浮控制力矩陀螺裝置4發(fā)出指令，can-usb轉(zhuǎn)接卡2接收到所述指令并將指令傳送給監(jiān)控和通訊電路3，監(jiān)控和通訊電路3的dsp+fpga數(shù)控單元302接收到所述指令后對磁軸承驅(qū)動電路303、高速電機驅(qū)動電路305、框架伺服驅(qū)動電路307、鎖緊解鎖驅(qū)動電路309進行控制，從而使磁軸承裝置41、高速電機裝置42、框架伺服裝置43和鎖緊解鎖裝置44完成相應(yīng)的功能。

在更進一步優(yōu)選的實施方式中，所述監(jiān)控和通訊電路3的dsp+fpga數(shù)控單元302接收磁軸承監(jiān)測電路304、高速電機監(jiān)測電路306、框架伺服監(jiān)測電路308、鎖緊解鎖監(jiān)測電路310和工作環(huán)境監(jiān)測電路311傳送的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對磁軸承裝置41、高速電機裝置42、框架伺服裝置43和鎖緊解鎖裝置44的工況以及工作環(huán)境的檢測；并通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2將數(shù)據(jù)傳送給計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1，再分別通過磁軸承設(shè)置與監(jiān)控界面11、高速電機設(shè)置與監(jiān)控界面12、框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面13、鎖緊解鎖設(shè)置與監(jiān)控界面14、工作環(huán)境監(jiān)測界面15進行顯示。

計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1，如圖2所示，是利用labwindows/cvi開發(fā)平臺在計算機上設(shè)計的人機界面，可設(shè)定磁懸浮控制力矩陀螺裝置4處于火箭發(fā)射或在軌運行的工作狀態(tài)，可以監(jiān)測磁懸浮控制力矩陀螺裝置4及工作環(huán)境的各項參數(shù)，控制磁懸浮控制力矩陀螺裝置4實現(xiàn)各項功能。計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1工作時，通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2和監(jiān)控與通訊電路3進行指令和數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，既可以設(shè)定磁懸浮控制力矩陀螺裝置4處于火箭發(fā)射或在軌運行狀態(tài)，使其完成振動沖擊、輸出力矩和帶寬測試等試驗，又可以定時查詢磁軸承裝置41、高速電機裝置42、框架伺服裝置43、鎖緊解鎖裝置44的工況及工作環(huán)境的各項參數(shù)。例如：磁軸承裝置41五個通道(徑向方向的四個通道和一個軸向方向通道)的位移值、電流值、章動幅值、定子溫度值和各控制參數(shù)值；高速電機裝置42的轉(zhuǎn)速值、電流值、溫度值和各控制參數(shù)值；框架伺服裝置43的角位置值、角速度值、電流值、控制精度、控制穩(wěn)定度、帶寬測試的兩條角速度曲線及其幅值比和相位差、各控制參數(shù)值；鎖緊解鎖裝置44的鎖緊狀態(tài)、解鎖狀態(tài)，工作環(huán)境的溫度值和真空度值，以及陀螺工作狀態(tài)、陀螺輸出力矩、陀螺驅(qū)動功耗等。計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1可以進行數(shù)據(jù)處理、分析，并將結(jié)果分別顯示于磁軸承設(shè)置與監(jiān)控界面11、高速電機設(shè)置與監(jiān)控界面12、框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面13、鎖緊解鎖設(shè)置與監(jiān)控界面14、工作環(huán)境監(jiān)測界面15和主界面16中，查詢到故障狀態(tài)時進行報警，進行整機復(fù)位，重新啟動磁懸浮控制力矩陀螺裝置4。該計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1可以控制磁懸浮控制力矩陀螺裝置4，使其完成磁軸承裝置41的浮起或落下磁懸浮轉(zhuǎn)子、磁軸承裝置41輸出電磁力模擬火箭發(fā)射的振動和沖擊、高速電機裝置42的升速穩(wěn)速和降速、框架伺服裝置43的角速度跟隨控制、鎖緊解鎖裝置44的鎖緊和解鎖磁懸浮轉(zhuǎn)子等功能。

在一種優(yōu)選的實施方式中，磁軸承設(shè)置與監(jiān)控界面11、高速電機設(shè)置與監(jiān)控界面12、框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面13、鎖緊解鎖設(shè)置與監(jiān)控界面14和工作環(huán)境監(jiān)測界面15可以分別檢測磁軸承裝置41、高速電機裝置42、框架伺服裝置43、鎖緊解鎖裝置44以及工作環(huán)境的溫度、電流、控制參數(shù)、工作狀態(tài)等信息。

在進一步優(yōu)選的實施方式中，磁軸承設(shè)置與監(jiān)控界面11、高速電機設(shè)置與監(jiān)控界面12、框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面13、鎖緊解鎖設(shè)置與監(jiān)控界面14和工作環(huán)境監(jiān)測界面15可以對以上參數(shù)和信息進行處理、分析、顯示、存儲，遇到溫度超限、磁軸承失穩(wěn)等故障模式進行報警。

在更進一步優(yōu)選的實施方式中，磁軸承設(shè)置與監(jiān)控界面11、高速電機設(shè)置與監(jiān)控界面12、框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面13、鎖緊解鎖設(shè)置與監(jiān)控界面14可以發(fā)送控制指令，通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2傳送給監(jiān)控與通訊電路3以完成對磁懸浮控制力矩陀螺4的操控，比如模擬火箭發(fā)射的振動和沖擊、浮起磁軸承、升速高速電機、轉(zhuǎn)動框架、鎖緊磁懸浮轉(zhuǎn)子等。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖3所示，dsp-fpga數(shù)控單元302通過通訊電路301與can總線相連，再通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2與計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1進行通訊；其中，dsp+fpga數(shù)控單元302主要由磁軸承位置環(huán)控制器、磁軸承電流環(huán)控制器、高速電機速率環(huán)控制器、高速電機電流環(huán)控制器、框架角位置環(huán)控制器、框架角速度環(huán)控制器、框架電流環(huán)控制器、鎖緊解鎖控制器組成，實現(xiàn)對磁軸承裝置41、高速電機裝置42、框架伺服裝置43和鎖緊解鎖裝置44的控制；其中，所述磁軸承位置環(huán)控制器和磁軸承電流環(huán)控制器分別對磁軸承檢測電路304輸出的線圈電路與位移值進行運算，得到pwm脈沖，通過磁軸承驅(qū)動電路303使磁軸承裝置41完成浮起或落下磁懸浮轉(zhuǎn)子的功能；所述高速電機速率環(huán)控制器和高速電機電流環(huán)控制器分別對高速電機裝置42的速率和電流進行控制；所述框架角位置環(huán)控制器、框架角速度環(huán)控制器和框架電流環(huán)控制器分別對框架伺服裝置43的角位置、角速度和電流進行控制；所述鎖緊解鎖控制器用于鎖緊磁懸浮轉(zhuǎn)子和解鎖磁懸浮轉(zhuǎn)子。

其中，所述pwm是指脈沖寬度調(diào)制，其利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，其控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖3所示，磁軸承監(jiān)測電路304由電流傳感器和電渦流傳感器組成，電流傳感器輸出磁軸承裝置41五個通道(徑向方向的四個通道和一個軸向方向通道)的線圈電流，電渦流傳感器輸出五個通道的位移值，通過磁軸承位置環(huán)控制器和磁軸承電流環(huán)控制器運算得到一定占空比的pwm脈沖，通過磁軸承驅(qū)動電路303使磁軸承裝置41輸出電磁力，當給定指令為振動沖擊時，輸出正弦形式和階躍形式混合的電磁振動和沖擊力，當給定指令為懸浮指令時，輸出浮起或落下的電磁控制力。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖3所示，高速電機監(jiān)測電路306由電流傳感器和霍爾傳感器組成，分別檢測高速電機裝置42的電流和速率，并采用速率環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)控制方式，有利于高速電機實現(xiàn)較高的速率穩(wěn)定精度。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖1、圖3所示，框架伺服監(jiān)測電路308采用電流傳感器檢測電流，旋轉(zhuǎn)變壓器激磁及軸角解碼電路為旋轉(zhuǎn)變壓器提供激磁電源并輸出框架伺服裝置43的角位置和角速度，框架伺服裝置43采用框架角位置環(huán)控制器、框架角速度環(huán)控制器、框架電流環(huán)控制器三閉環(huán)控制方式，有利于框架伺服系統(tǒng)實現(xiàn)較高的隨動控制精度。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖3所示，超聲波電機與磁懸浮轉(zhuǎn)子鎖緊解鎖機構(gòu)組成鎖緊解鎖裝置44，鎖緊解鎖監(jiān)測電路310采用鎖緊微動開關(guān)和解鎖微動開關(guān)輸出鎖緊解鎖狀態(tài)(共三個：鎖緊狀態(tài)、過渡狀態(tài)、解鎖狀態(tài))，其中，磁懸浮轉(zhuǎn)子鎖緊解鎖控制器通過鎖緊解鎖驅(qū)動電路309轉(zhuǎn)動超聲波電機以完成磁懸浮轉(zhuǎn)子鎖緊解鎖機構(gòu)的鎖緊和解鎖。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖1、圖3所示，dsp+fpga數(shù)控單元302通過工作環(huán)境監(jiān)測電路311檢測工作環(huán)境的溫度、真空度，并對其進行相應(yīng)的顯示、分析和報警。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖4所示，通訊電路301的電路主要由sja1000、pca82c250及有源晶振組成。其中sja1000為can通訊管理器，負責(zé)can通訊中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、波特率設(shè)置、工作模式設(shè)定、屏蔽與校驗等功能，dsp+fpga數(shù)控單元302與sja1000相連，兩者之間并行通訊，有源晶振為sja1000提供工作時鐘，sja1000將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送給pca82c250，pca82c250為can通訊接口器件，提供can總線的差動發(fā)送和接收能力，其輸出即can總線的兩根通訊線canh和canl。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖5所示，dsp+fpga數(shù)控單元302的電路通過dsp(數(shù)字信號處理器)與fpga(現(xiàn)場可編程門陣列)兩個芯片完成對磁軸承驅(qū)動電路303、磁軸承監(jiān)測電路304、高速電機驅(qū)動電路305、高速電機監(jiān)測電路306、框架伺服驅(qū)動電路307、框架伺服監(jiān)測電路308、鎖緊解鎖驅(qū)動電路309、鎖緊解鎖監(jiān)測電路310、工作環(huán)境監(jiān)測電路311的控制和檢測操作，以及與通訊電路301之間的并行數(shù)據(jù)傳輸，其中，dsp為主處理器，實現(xiàn)復(fù)雜的運算控制算法，fpga為輔助處理器。

在進一步優(yōu)選的實施方式中，dsp采用tms320c31，主要負責(zé)數(shù)據(jù)處理工作，其中，磁軸承位置環(huán)控制器、磁軸承電流環(huán)控制器、高速電機速率環(huán)控制器、高速電機電流環(huán)控制器、框架角位置環(huán)控制器、框架角速度環(huán)控制器、框架電流環(huán)控制器、鎖緊解鎖控制器均在dsp中進行運算；fpga采用epf10k30，負責(zé)各種芯片的時序控制工作；dsp和fpga之間通過數(shù)據(jù)線、地址線和控制線相連，可并行數(shù)據(jù)通訊。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖6所示，磁軸承驅(qū)動電路303的電路圖采用集成的h橋驅(qū)動芯片lmd18200，一個芯片可實現(xiàn)單個磁軸承通道的驅(qū)動，fpga輸出的pwm信號和方向信號經(jīng)lmd18200放大后輸出大幅值的電壓脈沖至磁軸承裝置41的線圈中，產(chǎn)生電磁力實現(xiàn)對磁懸浮轉(zhuǎn)子的控制，當芯片溫度過高時，可輸出故障信號至fpga芯片。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖7所示，為本發(fā)明的電流傳感器的電路圖，可用于磁軸承監(jiān)測電路304、高速電機監(jiān)測電路306和框架伺服監(jiān)測電路308中，輸出電流反饋信號，主要由電流傳感器芯片和運算放大器調(diào)理電路組成。電流傳感器芯片采用hbc001s/jn01，輸出為與電流值成正比的電壓信號。運算放大器調(diào)理電路由調(diào)壓電路和低通濾波電路組成，調(diào)壓電路將電流傳感器的輸出電壓調(diào)節(jié)到需要的范圍內(nèi)，低通濾波電路采用兩階壓控電壓源低通濾波器，濾除各種高頻噪聲，以消除其對幅值較小的電流反饋信號的干擾，提高信噪比。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖8所示，為本發(fā)明的磁軸承監(jiān)測電路304中的電渦流傳感器電路圖，主要由振蕩電路、檢波電路和調(diào)理電路組成，其中振蕩電路在電感探頭上產(chǎn)生高頻正弦振蕩信號，振蕩信號幅值的大小與電感探頭和磁懸浮轉(zhuǎn)子的距離呈正比的線性關(guān)系，檢波電路檢測出振蕩信號的幅值，通過調(diào)理電路可得到與距離值呈確定數(shù)值關(guān)系的電壓信號。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖9a、圖9b、圖9c所示，為本發(fā)明的高速電機驅(qū)動電路305的電路圖，其中，圖9a、圖9b所示為高速電機驅(qū)動電路305中驅(qū)動芯片的電路圖，圖9c所示為高速電機驅(qū)動電路305中buck電路、brake電路和三相逆變橋的電路圖，所述高速電機驅(qū)動電路305主要由驅(qū)動芯片、buck電路、brake電路和三相逆變橋組成，驅(qū)動芯片采用ir2110，四片ir2110將fpga輸出的8路pwm脈沖轉(zhuǎn)化為大幅值的電壓脈沖，1路輸出至buck電路，實現(xiàn)對供電電壓大小的調(diào)節(jié)，1路至brake電路，實現(xiàn)對降速電壓的調(diào)節(jié)，6路至三相逆變橋驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。三相逆變橋使用6片irf540搭建，每個橋均有上下兩片irf540，三相逆變橋的輸出至高速電機的三相電機繞組。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖10a、圖10b、圖10c所示，為本發(fā)明的框架伺服驅(qū)動電路14的電路圖，其中，圖10a、圖10b所示為框架伺服驅(qū)動電路14中的驅(qū)動芯片的電路圖，圖10c所示為框架伺服驅(qū)動電路14中的三相逆變橋的電路圖，與高速電機驅(qū)動電路305電路圖不同的是，框架伺服驅(qū)動電路14不含buck電路、brake電路，僅由驅(qū)動芯片和三相逆變橋組成。驅(qū)動芯片也采用ir2110，三相逆變橋使用6片irf540搭建，3片ir2110將fpga輸出的6路pwm脈沖轉(zhuǎn)化為三相逆變橋的驅(qū)動信號分別輸出至6片irf540，通過調(diào)節(jié)pwm占空比的大小控制電壓的大小實現(xiàn)電機的加減速，另外，還可以通過控制三相逆變器中6片irf540的開關(guān)狀態(tài)，使框架電機輸出正向或者負向的控制電壓，達到快速調(diào)節(jié)角速度的目的，可滿足框架伺服裝置42在角速度隨動控制中對高動態(tài)性能的要求。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖11a、圖11b所示，為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)變壓器激磁及軸角解碼電路的電路圖，主要由旋轉(zhuǎn)變壓器激磁電路和軸角解碼電路組成，其中，圖11a所示為旋轉(zhuǎn)變壓器激磁電路的電路圖，圖11b所示為軸角解碼芯片的電路圖，其中旋轉(zhuǎn)變壓器激磁電路輸出激磁電源至旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入繞組，旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組與軸角解碼電路相連。旋轉(zhuǎn)變壓器激磁電路由晶振、低通濾波器和運算放大器組成，其中晶振產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)兩路串聯(lián)的低通濾波器濾波得到正弦信號，運算放大器調(diào)節(jié)該正弦信號的電壓幅值并輸出至旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入繞組。軸角解碼芯片采用ad2s80芯片，與旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組相連，輸出角位置和角速度的數(shù)字信號至fpga。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖12所示，為本發(fā)明的鎖緊解鎖驅(qū)動電路309的電路圖，由驅(qū)動芯片ir2110、脈沖變壓器、功率管irf540組成。ir2110將fpga輸出的pwm脈沖放大以驅(qū)動irf540，irf540接在脈沖變壓器的輸入繞組，通過上下兩個irf540一定頻率的交替通斷，使脈沖變壓器輸出交流電壓，兩組鎖緊解鎖驅(qū)動電路309同時驅(qū)動超聲波電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，通過更改定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組脈沖的相位差實現(xiàn)超聲波電機的正反轉(zhuǎn)控制。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖13所示，為本發(fā)明的鎖緊解鎖裝置44的示意圖，由超聲波電機、彈性壓片、牽引繩組成，彈性壓片通過牽引繩與超聲波電機相連。鎖緊時，超聲波電機正向轉(zhuǎn)動拉緊牽引繩，迫使彈性壓片發(fā)生彈性變形壓向磁懸浮轉(zhuǎn)子，當完全壓緊時，鎖緊微動開關(guān)閉合，輸出低電平至fpga，使其停止輸出pwm脈沖，超聲波電機停止轉(zhuǎn)動。解鎖時，超聲波電機反向轉(zhuǎn)動松開牽引繩，彈性壓片逐漸恢復(fù)原形、松開磁懸浮轉(zhuǎn)子，當完全松開時，解鎖微動開關(guān)閉合，輸出低電平至fpga，使其停止輸出pwm脈沖，超聲波電機停止轉(zhuǎn)動。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖14所示，為本發(fā)明模擬火箭發(fā)射狀態(tài)的磁軸承控制系統(tǒng)示意圖，主要由磁軸承裝置41、給定電流指令(以bx通道的給定電流irbx為例)、磁軸承電流環(huán)控制器ci(s)、磁軸承驅(qū)動電路303和電流傳感器組成。其中，磁軸承裝置41由四對(8個，其中4個垂直紙面，沒有顯示)徑向磁鐵(磁軸承定子)、一對環(huán)形軸向磁鐵和磁懸浮轉(zhuǎn)子組成。給定電流指令、磁軸承電流環(huán)控制器ci(s)(采用比例積分控制器，可表示為其中，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù))、磁軸承驅(qū)動電路303(其幅值增益為ku)和電流傳感器(其幅值增益為kie)組成電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)可表示為可設(shè)定給定電流指令實時控制磁鐵的線圈電流值。以bx通道為例，模擬火箭發(fā)射狀態(tài)的振動和沖擊時，振動用多個頻率(可根據(jù)需求設(shè)定)的正弦信號組合表示，沖擊用階躍信號表示，則給定電流指令可表示為：其中，ra為給定的階躍信號的幅值，ε(t)為階躍信號，且ε(t)＝0,ift<0；ε(t)＝1,ift≥0；n為正弦函數(shù)的總個數(shù)，i為正弦函數(shù)的序號，ri和ωi分別為對應(yīng)正弦函數(shù)的幅值和頻率。由于磁懸浮轉(zhuǎn)子和磁鐵間的距離很小，當電流很大的時候，電磁力可表示為fbx＝kiibx，其中ki為電流剛度。根據(jù)四個徑向通道電磁力的作用關(guān)系，可以得到磁懸浮轉(zhuǎn)子受到的合力與合力矩：fx＝fax+fbx，fy＝fay+fby，pα＝(fby-fay)lm，pβ＝(fax-fbx)lm，其中l(wèi)m為徑向磁鐵到磁軸承裝置41中心的距離。這樣給定正弦形式和階躍形式的電流指令，就可以得到4個徑向通道的振動力和沖擊力(包括平動的力和轉(zhuǎn)動的力矩)和1個軸向通道的振動力和沖擊力(僅有平動的力，因為火箭發(fā)射時在該方向的轉(zhuǎn)動力矩分量可忽略不計)。

在一種優(yōu)選的實施方式中，如圖15所示，為框架伺服監(jiān)控界面13進行磁懸浮控制力矩陀螺裝置4帶寬自測試的子顯示界面。框架伺服監(jiān)控界面13通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2輸出一個一定頻率ω的正弦角速度指令信號(設(shè)為ωgr(t)＝ωg1sin(ωt+θg1)，ωg1和θg1分別為幅值和初始相角)至監(jiān)控與通訊電路3，dsp+fpga數(shù)控單元302、框架伺服驅(qū)動電路307及框架伺服監(jiān)測電路308組成角速度閉環(huán)系統(tǒng)，控制框架伺服裝置43輸出一個正弦的角速度(設(shè)為ωgf(t)＝ωg2sin(ωt+θg2)，ωg2和θg2分別為幅值和初始相角)，框架伺服監(jiān)控界面13以周期ts中斷連續(xù)對ωgr和ωgf采樣n個點，且即采樣點的數(shù)量要足夠多以保證采樣的正弦波形大于等于一個周期，定義一個兩行n+1列的矩陣f(其表達為：和兩個兩行一列的向量cgr和cgf，使cgr＝(f*f^t)^-1f[ωgr(0*ts)ωgr(1*ts)lωgr(n*ts)]，cgf＝(f*f^t)^-1f[ωgf(0*ts)ωgf(1*ts)lωgf(n*ts)]，則兩條正弦曲線的幅值比可表示為：20{log[cgf(1)²+cgf(2)²]-log[cgr(1)²+cgr(2)²]}，其中，cgf(1)和cgf(2)分別為cgf第一行和第二行的元素；兩條正弦曲線的相位差可表示為：并將幅值比和相位差的計算數(shù)據(jù)顯示在如圖15所示的框架伺服監(jiān)控界面13的子界面上。若幅值比大于-3db且相位差小于30度，則帶寬大于ω?？蚣芩欧O(jiān)控界面13再輸出一個頻率為ω+0.1的正弦角速度指令，重復(fù)以上測試過程；直到頻率為ωl時，幅值比小于-3db或相位差大于30度，不滿足帶寬要求，則系統(tǒng)帶寬自測完成，系統(tǒng)帶寬為ωl-0.1。

在進一步優(yōu)選的實施方式中，所述計算機模擬監(jiān)控界面1通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2向監(jiān)控與通訊電路3發(fā)送磁懸浮控制力矩陀螺裝置4的帶寬自測指令；dsp+fpga數(shù)控單元302、框架伺服驅(qū)動電路307和框架伺服監(jiān)測電路308組成角速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，計算機模擬監(jiān)控界面1發(fā)送頻率0.1hz的正弦角速度指令，框架伺服監(jiān)測電路308的旋轉(zhuǎn)變壓器和軸角解碼器檢測框架伺服裝置43的角速度信號，并通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2傳送給計算機模擬監(jiān)控界面1，計算機模擬監(jiān)控界面1根據(jù)所發(fā)送的正弦角速度指令和檢測的角速度信號，通過矩陣運算，可得到兩者的幅值比和相位差，并通過計算機模擬監(jiān)控界面1顯示；若幅值比不大于-3db且相位差不大于30度，則系統(tǒng)帶寬大于等于0.1hz，計算機模擬監(jiān)控界面1發(fā)送的正弦角速度指令的頻率值增加0.1hz，再測試幅值比相位差，直到幅值比小于-3db或相位差大于30度，不滿足帶寬要求，則系統(tǒng)帶寬自測完成，系統(tǒng)帶寬為當前頻率值-0.1hz。

磁懸浮控制力矩陀螺監(jiān)控系統(tǒng)運行流程，如圖16所示，依次為：系統(tǒng)上電→運行計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面→設(shè)置can-usb轉(zhuǎn)接卡參數(shù)→發(fā)送狀態(tài)設(shè)置指令。其中，通過設(shè)置can-usb轉(zhuǎn)接卡的參數(shù)可以設(shè)置can總線的通訊協(xié)議，包括波特率、幀格式、幀類型、id等，以便滿足不同通訊速率、數(shù)據(jù)格式和節(jié)點數(shù)量的需求。

在一種優(yōu)選的實施方式中，進入火箭發(fā)射狀態(tài)，流程如下：發(fā)送鎖緊指令→鎖緊解鎖裝置完成鎖緊→發(fā)送振動和沖擊指令→磁軸承裝置輸出振動力和沖擊力→檢測和顯示轉(zhuǎn)子位移值和微動開關(guān)狀態(tài)。

其中，在火箭發(fā)射狀態(tài)的振動沖擊試驗中，計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1實時顯示磁軸承監(jiān)測電路304和鎖緊解鎖監(jiān)測電路310檢測的磁懸浮轉(zhuǎn)子位移值和微動開關(guān)狀態(tài)，以確定磁懸浮控制力矩陀螺裝置是否在火箭發(fā)射階段出現(xiàn)磁懸浮轉(zhuǎn)子振動位移超過安全閾值或微動開關(guān)處于打開狀態(tài)(鎖緊機構(gòu)未能完全鎖緊)，計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1進行報警。

在另一種優(yōu)選的實施方式中，進入在軌運行階段，流程如下：發(fā)送解鎖指令→鎖緊解鎖裝置完成解鎖→發(fā)送啟動指令→磁懸浮控制力矩陀螺裝置完成啟動狀態(tài)→發(fā)送輸出力矩指令→磁懸浮控制力矩陀螺裝置輸出力矩→發(fā)送帶寬測試指令→磁懸浮控制力矩陀螺裝置進行帶寬測試。

其中，進入在軌運行狀態(tài)，發(fā)送解鎖指令，鎖緊解鎖裝置完成解鎖以滿足磁懸浮轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)；發(fā)送啟動指令，框架伺服裝置43保持靜止，框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面13顯示框架伺服裝置43的角位置、角速度和電流，磁軸承裝置41浮起磁懸浮轉(zhuǎn)子，磁軸承設(shè)置與監(jiān)控界面11顯示的磁軸承裝置41各通道位移值、電流值和溫度值；高速電機裝置42升速至額定速率并穩(wěn)速，高速電機設(shè)置與監(jiān)控界面12顯示高速電機裝置42的速率值、電流值和溫度值，磁懸浮控制力矩陀螺進入等待輸出力矩命令的初始狀態(tài)；發(fā)送輸出力矩指令，將輸出力矩指令轉(zhuǎn)換為框架伺服裝置的給定角位置和角速度值，框架伺服裝置43實時跟隨給定角位置和速度值，磁懸浮控制力矩陀螺裝置4輸出力矩，模擬航天器姿態(tài)控制的狀態(tài)，此時通過框架伺服設(shè)置與監(jiān)控界面13可以測試和顯示框架伺服裝置43的角速度精度和穩(wěn)定度，主界面15測試和顯示磁懸浮控制力矩陀螺裝置4的輸出力矩值和驅(qū)動功耗值，工作環(huán)境監(jiān)測界面15檢測和顯示工作環(huán)境的溫度和真空度，此外若有參數(shù)超出安全閾值，計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1將發(fā)出警報，主界面16可整機復(fù)位。

在一種優(yōu)選的實施方式中，所述計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1對磁懸浮控制力矩陀螺裝置4發(fā)出指令，can-usb轉(zhuǎn)接卡2接收到所述指令并將指令傳送給監(jiān)控和通訊電路3。

在進一步優(yōu)選的實施方式中，計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2同監(jiān)控與通訊電路3進行通訊，設(shè)置磁懸浮控制力矩陀螺裝置4處于火箭發(fā)射狀態(tài)，鎖緊解鎖驅(qū)動電路309執(zhí)行監(jiān)控與通訊電路3的鎖緊磁懸浮轉(zhuǎn)子指令，即dsp+fpga數(shù)控單元302控制鎖緊解鎖驅(qū)動電路309驅(qū)動超聲波電機轉(zhuǎn)動，鎖緊解鎖監(jiān)測電路310實時檢測鎖緊解鎖裝置44的狀態(tài)，直至鎖緊解鎖裝置44處于鎖緊狀態(tài)完成鎖緊；磁軸承驅(qū)動電路303與磁軸承監(jiān)測電路304的電流傳感器組成電流閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)火箭發(fā)射階段振動和沖擊與電流的函數(shù)關(guān)系，控制磁軸承驅(qū)動電路303可以產(chǎn)生五個通道(徑向方向的四個通道和一個軸向方向通道)的各種幅值和頻率的正弦電流及階躍電流的合電流使磁軸承裝置41產(chǎn)生驅(qū)動力和力矩模擬火箭發(fā)射狀態(tài)磁懸浮轉(zhuǎn)子所受到的振動和沖擊，磁軸承監(jiān)測電路304含10個電渦流傳感器以差動的方式對磁懸浮轉(zhuǎn)子在上述五個通道的振動位移進行檢測，即磁軸承監(jiān)測電路304檢測磁懸浮轉(zhuǎn)子的振動位移量是否超過安全閾值，鎖緊解鎖監(jiān)測電路310檢測鎖緊解鎖裝置44是否保持鎖緊狀態(tài)，并將檢測到的振動位移量和鎖緊解鎖裝置44的狀態(tài)通過監(jiān)控與通訊電路3和can-usb轉(zhuǎn)接卡2傳送至計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1進行顯示，以監(jiān)測磁懸浮控制力矩陀螺裝置4在火箭發(fā)射階段承受振動和沖擊的工況，若檢測的振動位移量超過安全閾值或鎖緊微動開關(guān)處于打開狀態(tài)，則計算機模擬監(jiān)控界面1報警。

在進一步優(yōu)選的實施方式中，計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1通過can-usb轉(zhuǎn)接卡2同監(jiān)控與通訊電路3進行通訊，設(shè)置磁懸浮控制力矩陀螺裝置4處于在軌運行狀態(tài)，鎖緊解鎖驅(qū)動電路309執(zhí)行監(jiān)控與通訊電路3的解鎖磁懸浮轉(zhuǎn)子指令，鎖緊解鎖監(jiān)測電路310實時檢測鎖緊解鎖裝置44的裝態(tài)，直至鎖緊解鎖裝置44處于解鎖狀態(tài)完成解鎖，磁軸承驅(qū)動電路303與磁軸承監(jiān)測電路304組成磁軸承閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)控與通訊電路3發(fā)送的懸浮指令，驅(qū)動磁軸承裝置41保持磁懸浮轉(zhuǎn)子處于穩(wěn)定懸浮的狀態(tài)，高速電機驅(qū)動電路305與高速電機監(jiān)測電路306組成高速電機閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)控與通訊電路3發(fā)送的升速指令，驅(qū)動高速電機裝置42使磁懸浮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并升速至額定值，框架伺服驅(qū)動電路307和框架伺服監(jiān)測電路308組成框架伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)控與通訊電路3發(fā)送的角位置和角速度指令，驅(qū)動框架伺服裝置43轉(zhuǎn)動，磁軸承監(jiān)測電路304、高速電機監(jiān)測電路306、框架伺服監(jiān)測電路308、鎖緊解鎖監(jiān)測電路310和工作環(huán)境監(jiān)測電路311的輸出通過監(jiān)控與通訊電路3和can-usb轉(zhuǎn)接卡2傳送至計算機模擬設(shè)置與監(jiān)控界面1進行顯示，監(jiān)控磁懸浮控制力矩陀螺裝置4在軌運行狀態(tài)的工況。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“上”、“下”、“內(nèi)”等指示的方位或位置關(guān)系為基于本發(fā)明工作狀態(tài)下的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

以上結(jié)合了優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明進行了說明，不過這些實施方式僅是范例性的，僅起到說明性的作用。在此基礎(chǔ)上，可以對本發(fā)明進行多種替換和改進，這些均落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。