Keisoku Giken, NI LabVIEW FPGA 및 LabVIEW Real-Time 사용하여 인공위성 자세 컨트롤 디바이스 평가 모델 구축

Author(s):
Toshihiro Kanda - Keisoku Giken Co., Ltd.

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
FPGA Module, LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency:일본 우주항공 연구 개발기구)을 위한 자세 컨트롤 디바이스 개발의 일환으로 NEC Aerospace Systems, Ltd.의 개발 및 시뮬레이션을 위한 반작용 휠 (reaction wheel assembly:RWA) 시뮬레이터 구축해야 합니다.

The Solution:
NI LabVIEW Real-Time Module 및 LabVIEW FPGA Module을 사용하여 내쇼날인스트루먼트 PXI-8176 임베디드 리얼타임 컨트롤러 및 NI PXI-7831R 재구성가능한 I/O 모듈에 기반한 시뮬레이터를 구축합니다.

JAXA용 RWA 구축

NEC Aerospace Systems, Ltd.는 JAXA용 자세 컨트롤 디바이스 개발의 일환으로 개발 및 평가를 위해 반작용 휠(reaction wheel RWA) 조립이 필요하였습니다. RWA는 자세 컨트롤 디바이스의 토크 전압 입력에 대응하여 회전하는 4개의 바퀴 로터 모듈로 구성되어 있습니다. 시스템은 회전수에 따라 펄스 트레인을 생성하고, 이를 자세 컨트롤 디바이스에 반환하여 컨트롤 루프를 닫습니다. 시뮬레이터는 높은 수준의 속도 및 정확도로 본 복합 시스템을 재생성해야 하며, 높은 기능성 (예, 실험 변경이 간단해야 함)를 보유해야 하는 동시에 경제적이어야 합니다.

고객사가 극도의 높은 속도 및 정확도를 요구하였으므로, (1) 우리는 LabVIEW Real-Time Module 및 LabVIEW FPGA Module을 사용하여 PXI-8176 임베디드 리얼타임 컨트롤러 및 PXI-7831R 재구성가능한 I/O 모듈에 기반하여 시뮬레이터를 구축하였습니다. 우리는 고객으로부터 로터 물리학 모델 및 실행 계획을 받았습니다.

FPGA는 부동점 계산을 수행할 수 없으므로, 우리는 LabVIEW Real-Time Module을 사용하여 복합 물리학 모델링 계산을 수행하였으며 LabVIEW FPGA Module을 사용하여 펄스 트레인 계산 및 생성을 수행하였습니다. 이같은 기술을 사용하여 본 복합 시뮬레이션에 요구되는 고속 병렬 실행을 수행하였습니다.

LabVIEW를 사용하여 편리함을 경험

프로그래머들은 FPGA 프로그래밍을 위한 VHDL 경험이 없었습니다. 그러나 LabVIEW FPGA Module 프로그래밍이 LabVIEW 환경의 프로그래밍과 유사하였으므로 장애가 없었습니다. 초반부에 알고리즘 검증을 위해 FPGA 에뮬레이터를 사용함으로써, 우리는 컴파일 시간을 낭비하지 않고 매우 신속한 검증 및 변경 주기를 실행할 수 있었습니다. 그 결과로 개발 시간을 상당히 줄일 수 있었습니다.

호스트 컴퓨터를 LabVIEW Real-Time Module 프로그램을 실행하는 임베디드 컨트롤러에 연결하여 모든 시리즈의 데이터를 기록하였습니다. 프로젝트 완성시 우리는 고객사에게 시스템을 검증하였습니다.

절대 정확도와 관련, 시스템은 FPGA 클럭 정확도 (10 ppm)를 반영하였습니다. 이같은 이유로, 몇몇 경우에 있어 정확도가 요구 조건을 초과하였습니다. 이를 보상하기 위해 처음부터 FPGA 클럭 에러를 보상하기 위해 로직으로 구축하였지만, 결국에는 75 ppb 정확도의 NI PXI-6608 타이밍 I/O 모듈을 표준 FPGA 클럭으로 사용하여 그 문제를 완벽하게 해결할 수 있었습니다.

지터에 관해서는, 시스템은 약 30 ns의 실제 관찰된 p-p 값과 표준 편차 8 ns (80 MHz 주파수에서 FPGA 작동)로 최상의 결과를 도출하였습니다.

NI 제품으로 정확도, 유연성 및 내구성을 구현

요구 스펙에 맞는 시스템을 단기간 및 저가로 구축할 수 있었던 데에는 NI PXI, LabVIEW FPGA Module, 및 LabVIEW Real-Time Module 시스템 및 NI 개발 환경이 큰 역할을 하였습니다. 이와 같이 NI 제품을 사용하여 정확하고 유연성있는 소프트웨어와 결정성있고 내구력있는 하드웨어를 동시에 구축할 수 있었습니다.

고객사는 우리가 제공한 시스템에 대해 매우 만족하였습니다. 시스템의 개발 비용이 낮았음은 말할 것도 없거니와 간단하며 경제적인 작동을 선보였습니다. 특별 기술자의 운영이 요구되며 오작동시 손상의 위험이 있는 고가의 비행기 모델에 시스템을 포함시킬 필요가 없었습니다. 또한, 시스템은 이전 시뮬레이션 환경과 비교하여 평가 정확도에 있어 상당히 향상된 결과를 보였습니다.

본 시스템을 사용하면서 평가를 통해 발견하지 못했던 문제들을 발견하게 되었는데, 이는 자세 컨트롤 디바이스를 평가하는 영역에 있어서의 새로운 성공을 거두었음을 의미합니다.

더욱 자세한 정보를 위한 문의:

Toshihiro Kanda

Keisoku Giken Co., Ltd.

www.keisoku.co.jp/htmlE/

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1. 시뮬레이션 루프 – 5 kHz

주기당 절대 정확도 – 0.1 ms 미만

주기당 지터 – 0.1 ms 미만

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