專利名稱：一種微小型飛輪控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天飛行器飛輪電路，尤其是用于深空探測航天器的微小型反作用飛 輪控制電路。
背景技術(shù)：
微小型反作用角動(dòng)量O.1Nms,以質(zhì)量為IOOkg級別的微小衛(wèi)星/空間探測器應(yīng)用 的飛輪。其主要用于深空探測航天飛行器平臺對干擾力矩的精確補(bǔ)償，以便實(shí)現(xiàn)對航天器 姿態(tài)的精確控制。深空探測航天飛行器攜帶具有轉(zhuǎn)動(dòng)部件的有效載荷工作時(shí)，會對飛行器 姿態(tài)產(chǎn)生干擾，影響飛行器姿態(tài)穩(wěn)定性和對地精度，而利用反作用飛輪實(shí)現(xiàn)對飛輪輸出力 矩的精確控制，實(shí)現(xiàn)對平臺干擾力矩精確補(bǔ)償?shù)墓δ?。深空探測飛行器對星載設(shè)備要求的 特點(diǎn)是抗輻照指標(biāo)要求低于地球軌道衛(wèi)星，但是對設(shè)備的工作溫度范圍要求高于地球軌道 衛(wèi)星。
目前，衛(wèi)星用反作用飛輪投入實(shí)用的都是大質(zhì)量平臺(1000kg及以上)的衛(wèi)星用 反作用飛輪，每顆衛(wèi)星使用反作用飛輪的數(shù)量至少在3臺以上，目前已有的反作用飛輪單 臺質(zhì)量都最少在8kg以上，角動(dòng)量一般在8Nms以上，這些飛輪的性能和質(zhì)量均超出了微小 衛(wèi)星平臺的需求，無法用于IOOkg級別的探測飛行器。在大質(zhì)量衛(wèi)星平臺的配套飛輪中，控 制電路使用的元器件多為分立器件，控制電路核心芯片最多也就是8位單片機(jī)，很多功能 需要其他芯片來完成，導(dǎo)致控制電路板的面積較大，也無法適用于外形尺寸小的O.1Nms反 作用飛輪。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微小型飛輪控制電路，解決質(zhì)量IOOkg級別的深空探 測航天器姿控執(zhí)行機(jī)構(gòu)及航天器平臺對O.1Nms反作用飛輪，實(shí)現(xiàn)在-50°c +50°C惡劣環(huán) 境溫度條件下能夠控制輪體工作，達(dá)到航天器平臺對干擾力矩精確補(bǔ)償?shù)囊蟆?br> 為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種微小型飛輪 控制電路，包括微處理器控制電路、通訊接口電路、電機(jī)電流反饋電路/溫度信號采集和處 理電路、電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路、霍爾信號電路，微處理器控制電路分別與通訊接口電路、電機(jī) 功率驅(qū)動(dòng)電路、霍爾信號電路、電機(jī)電流反饋電路/溫度信號采集和處理電路相連通，電機(jī) 功率驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)相連通?？刂齐娐酚梢粔KPCB板構(gòu)成，整個(gè)控制電路以微處理器控制 電路為核心，飛輪控制模式切換、飛輪驅(qū)動(dòng)控制、飛輪控制電流閉環(huán)和速度閉環(huán)、飛輪電機(jī) 控制輸出均由嵌入式軟件支持的微處理器完成，整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了集成化和小型化。
所述的微處理器控制電路包括Al芯片、外部晶體振蕩器、電阻R36 R41，A1芯片 包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、PWM發(fā)生與控制電路、換相邏輯電路，外部晶體振蕩器包括電 容C7、C8、晶振Y1，Al芯片的端口 1、44與接插件端口 5、4相連，端口 2、3、35與電阻R36、 R46、R37相連，端口 26與電阻R39、R41相連，端口 27與電阻R38、R40相連，端口 30、31與 外部晶體振蕩器的電容C7、C8、Yl相連。Al芯片作為控制電路的核心，使用了閃存程序存儲器技術(shù)，完成電機(jī)的邏輯換相、對各類信息綜合處理后通過PWM控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度及轉(zhuǎn)矩控制、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、實(shí)現(xiàn)平滑的軟啟動(dòng)、完成各類保護(hù)動(dòng)作。
所述的電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路采用三相全橋驅(qū)動(dòng)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)回路由三相全橋并配有全橋驅(qū)動(dòng)回路，包括兩個(gè)N溝道場效應(yīng)管的Tl芯片、Ul芯片、電阻R2、R3、R8、R9、R14、R15、電容C13、二極管D1、SI，Tl芯片的端口 1、2分別與電阻R3、R9相連并與Ul芯片的端口 5相連通，Tl芯片的端口 3、4分別與電阻R2、R8相連并與Ul芯片的端口 7相連通，Tl芯片的端口 7、8與電容C13、Dl相連并與Ul芯片的端口 1、6、8相連通，Tl芯片的端口 5、6與SI相連接，Ul芯片的端口 2、3分別與電阻R14、R15相連通，Ul芯片的端口 4接地。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流< 200mA，使用的Tl芯片、Ul芯片完全能達(dá)到電路使用要求。
所述的電機(jī)電流反饋電路包括兩個(gè)AD820芯片U4、U5、電阻R20 R26、R44、R45、 R49、R50、電容C16、C32，芯片U5的端口 2通過電阻R44與芯片U4的端口 6、電阻R24、R23、 芯片U4的端口 2、電·阻R22相連通，芯片U5的端口 3、4與電阻R25、R26、芯片U5的端口 7相連通，芯片U5的端口 6與電阻R45相連通；芯片U4的端口 3與串聯(lián)的電阻R21、R20相連、 與并聯(lián)的電阻R49、R50、電容C16、C32相連通，芯片U4的端口 4接地，芯片U4的端口 7接 +5V。電流反饋電路對飛輪電機(jī)電流采用限流，使得飛輪電機(jī)最大平均電流不超過200mA。
所述的溫度信號采集和處理電路包括芯片U6、電阻R27 R30、R34、R35、溫度傳感器Q2，芯片U6的端口 2、3與電阻R27、R28、溫度傳感器Q2、電阻R29、端口 7、+5V相連，芯片U6的端口 2還與電阻R30、R34、端口 7、電阻R35相連通，端口 4接地。溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號后再經(jīng)處理放大。
所述的通訊接口電路包括通訊接口芯片U7A、U7B、全雙工通訊協(xié)議接口 JP6、電阻 R47、電容C33，芯片U7A的端口 I與芯片Al的管腳31 (網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號RX)相連，端口 2、3、4、5接地，端口 6與對外連接JP6端口 I相連，端口 7與對外連接JP6端口 2相連通，芯片U7B的端口 I懸空，端口 2、5接地，端口 3與芯片Al的管腳14(網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號TFS1)相連，端口 4與芯片Al的管腳32 (網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號TX)相連，端口 6與對外連接JP6端口 3相連，端口 7與對外連接JP6端口 4相連，端口 8接+5V ;JP6的端口 1、2與電阻R47、電容C33連接。
本發(fā)明采用的控制電路，電路的核心部件是小型微處理器控制電路，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果是
采用微小型芯片，實(shí)現(xiàn)電路的集成化和小型化；
整體尺寸小、重量輕、電路板尺寸為Φ76mm，而元器件布線區(qū)域僅為Φ66πιπι，電路板裝機(jī)重量30g，功耗低、適應(yīng)溫度范圍廣。
經(jīng)抗輻試驗(yàn)，整機(jī)抗輻能力達(dá)到14.76Krad(Si)，滿足火星探測器對飛輪大于 IOKrad(Si)的要求。



以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明航天器微小型反作用飛輪的電路原理框圖； 圖2是微處理器控制電路示意3是電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路意4是電機(jī)電流反饋電路示意圖
圖5是溫度彳目號米集和處理電路不意 圖6是通訊接口電路示意圖。
具體實(shí)施方式
控制電路由一塊直徑為Φ76πιπι的PCB板構(gòu)成，為了盡量實(shí)現(xiàn)電路的小型化，整個(gè)控制電路以microchip公司的電機(jī)控制專用DSP芯片dsPIC30F3011為核心。全橋驅(qū)動(dòng)使用了 IR2103S，功率管使用了 FDS6982，飛輪對外數(shù)字接口使用了 ADM485ARZ通訊接口芯片， 飛輪力矩和速度兩種控制模式切換、飛輪驅(qū)動(dòng)控制、飛輪控制電流閉環(huán)和速度閉環(huán)、飛輪電機(jī)PWM控制輸出、對外通訊等均由嵌入式軟件支持的DSP處理器完成。整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了集成化和小型化。
如圖1所示，是本發(fā)明航天器微小型反作用飛輪的電路原理框圖，包括微處理器控制電路、通訊接口電路、電機(jī)電流反饋電路/溫度信號采集和處理電路、電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路、霍爾信號電路，微處理器控制電路分別與通訊接口電路、電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路、霍爾信號電路、電機(jī)電流反饋電路/溫度信號采集和處理電路相連通，電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)相連通。
如圖2所示，是微處理器控制電路示意圖。微處理器控制電路包括dsPIC30F3011 芯片、外部晶體振蕩器、電阻R36 R41，DSP芯片包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、PWM發(fā)生與控制電路、換相邏輯電路，外部晶體振蕩器包括電容C7、C8、晶振Yl，DSP芯片的端口 1、44 與接插件端口 5、4相連，端口 2、3、35與電阻R36、R46、R37相連，端口 26與電阻R39、R41 相連，端口 27與電阻R38、R40相連，端口 30、31與外部晶體振蕩器的電容C7、C8、Yl相連。 DSP芯片使用時(shí)再16倍頻，主頻達(dá)到80MHz，完全能夠滿足飛輪控制的需要。DSP芯片使用了閃存程序存儲器技 術(shù)，電可擦除和可編程，所以對軟件的修改和調(diào)試比較方便。微控制器單元作為控制電路的核心，主要完成電機(jī)的邏輯換相、對各類信息綜合處理后通過PWM控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度及轉(zhuǎn)矩控制、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、實(shí)現(xiàn)平滑的軟啟動(dòng)、完成各類保護(hù)動(dòng)作 (包括電流保護(hù)、運(yùn)轉(zhuǎn)異常保護(hù)、傳感器信號故障保護(hù)等)、完成模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換和采集、完成與上位機(jī)的數(shù)字通訊并執(zhí)行上位機(jī)指令等。外部晶振為5M晶振。
如圖3所示，是電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路示意圖，采用三相全橋驅(qū)動(dòng)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)回路采用 MOSFET構(gòu)成的三相全橋同時(shí)配以全橋驅(qū)動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)，MOSFET功率管包括兩個(gè)N溝道場效應(yīng)管的 FDS6982 芯片、IR2103S 芯片、電阻 R2、R3、R8、R9、R14、R15、電容 C13、二極管 DU SI, FDS6982芯片的端口1、2分別與電阻R3、R9相連并與IR2103S芯片的端口 5相連通，F(xiàn)DS6982 芯片的端口 3、4分別與電阻R2、R8相連并與IR2103S芯片的端口 7相連通，F(xiàn)DS6982芯片的端口 7、8與電容C13、D1相連并與IR2103S芯片的端口 1、6、8相連通，F(xiàn)DS6982芯片的端口 5、6與SI相連接，IR2103S芯片的端口 2、3分別與電阻R14、R15相連通，IR2103S芯片的端口 4接地。電路的體積小，F(xiàn)DS6982內(nèi)部集成的場效應(yīng)管的額定電流分別達(dá)到了 8. 6A 和6. 3A，考慮到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流< 200mA，所以芯片完全能達(dá)到電路使用要求，并且由于其發(fā)熱量小，芯片也不用帶專用散熱片或貼金屬外殼安裝。全橋驅(qū)動(dòng)回路采用IR2103S來實(shí)現(xiàn)， 其芯片本身帶有輸出相序的邏輯互鎖功能，能有效防止三相全橋驅(qū)動(dòng)的誤導(dǎo)通帶來的電機(jī)或驅(qū)動(dòng)管的損壞，圖中的電路是電機(jī)驅(qū)動(dòng)中三相中的一相驅(qū)動(dòng)。
如圖4所示，是電機(jī)電流反饋電路示意圖，包括兩個(gè)AD820運(yùn)算放大器芯片U4、U5、電阻R20 R26、R44、R45、R49、R50、電容C16、C32，芯片U5的端口 2通過電阻R44與芯片U4的端口 6、電阻R24、R23、芯片U4的端口 2、電阻R22相連通，芯片U5的端口 3、4與電阻R25、R26、芯片U5的端口 7相連通，芯片U5的端口 6與電阻R45相連通。芯片U4的端口 3與串聯(lián)的電阻R21、R20相連、與并聯(lián)的電阻R49、R50、電容C16、C32相連通，芯片U4的端口 4接地，芯片U4的端口 7接+5V。電流反饋電路對飛輪電機(jī)電流按限流200mA設(shè)計(jì)， 超過200mA電流時(shí)DSP關(guān)斷其控制上下橋的PWM輸出，使得飛輪電機(jī)最大平均電流不超過 200mA。電路中運(yùn)算放大器采用了 AD公司的AD820，為貼片封裝，體積小，精度高。
如圖5所示，是溫度信號采集和處理電路示意圖，包括AD820芯片U6、電阻R27 R30、R34、R35、溫度傳感器Q2，芯片U6的端口 2、3與電阻1 27、1 28、溫度傳感器02、電阻1 29、 端口 7、+5V相連，芯片U6的端口 2還與電阻R30、R34、端口 7、電阻R35相連通，端口 4接地。電路的溫度傳感器Q2采用了電流型的溫度敏感器件AD590，AD590安裝在飛輪軸承和電機(jī)安裝底座的背面，能夠真實(shí)反應(yīng)飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)軸承和電機(jī)的溫度。溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號后經(jīng)處理放大，送到DSP芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由串行通訊送計(jì)算機(jī)。
如圖6所示，是通訊接口電路示意圖。包括ADM485ARZ通訊接口芯片U7A、U7B、 RS485全雙工通訊協(xié)議接口 JP6、電阻R47、電容C33，芯片U7A的端口 I與芯片Al的管腳31(網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號RX)相連，端口 2、3、4、5接地，端口 6與對外連接JP6端口 I相連，端口 7與對外連接JP6端口 2相連通，芯片U7B的端口 I懸空，端口 2、5接地，端口 3與芯片Al的管腳14 (網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號TFS1)相連，端口 4與芯片Al的管腳32 (網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號TX)相連，端口 6與對外連接JP6端口 3相連，端口 7與對外連接JP6端口 4相連，端口 8接+5V JP6的端口 1、2 與電阻R47、電容C33連接。
以上各部分組成O.1Nms微小型反作用飛輪的控制電路，配合控制軟件完成姿控系統(tǒng)對反作用飛輪的各項(xiàng)控制要求，提供了一個(gè)以DSP芯片為核心的通用型飛輪控制電路最小系統(tǒng)的模板。在電路所選用的dsPIC30F3011、AD820、ADM485ARZ、FDS6982、IR2103S其工作溫度為_40°C +85°C，dsPIC30F3011的工作溫度則達(dá)到了 _40°C +125°C，元器件使用參數(shù)都達(dá)到了 I級降額的要求。經(jīng)過抗輻照試驗(yàn)，在輻照劑量率為328rad(Si)/min的情況下，能承受的輻照總劑量達(dá)到14.76Krad(Si)，滿足火星探測器要求大于IOKrad(Si)的抗輻照要求。
權(quán)利要求
1.一種微小型飛輪控制電路，其特征在于包括微處理器控制電路、通訊接口電路、電機(jī)電流反饋電路/溫度信號采集和處理電路、電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路、霍爾信號電路，微處理器控制電路分別與通訊接口電路、電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路、霍爾信號電路、電機(jī)電流反饋電路/溫度信號采集和處理電路相連通，電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)相連通。
2.如權(quán)利要求1所述的微小型飛輪控制電路，其特征在于所述的微處理器控制電路包括Al芯片、外部晶體振蕩器、電阻R36 R41，A1芯片包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、PWM發(fā)生與控制電路、換相邏輯電路，外部晶體振蕩器包括電容C7、C8、晶振Y1，Al芯片的端口1、44與接插件端口 5、4相連，端口 2、3、35與電阻R36、R46、R37相連，端口 26與電阻R39、R41相連，端口 27與電阻R38、R40相連，端口 30、31與外部晶體振蕩器的電容C7、C8、Y1相連。
3.如權(quán)利要求1所述的微小型飛輪控制電路，其特征在于所述的電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路采用三相全橋驅(qū)動(dòng)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)回路由三相全橋并配有全橋驅(qū)動(dòng)回路，包括兩個(gè)N溝道場效應(yīng)管的Tl芯片、Ul芯片、電阻1 2、1 3、1 8、1 9、1 14、1 15、電容(13、二極管01、51，1'1芯片的端口 1、2分別與電阻R3、R9相連并與Ul芯片的端口 5相連通，Tl芯片的端口 3、4分別與電阻R2、R8相連并與Ul芯片的端口 7相連通，Tl芯片的端口 7、8與電容C13、D1相連并與Ul芯片的端口 1、6、8相連通，Tl芯片的端口 5、6與SI相連接，Ul芯片的端口 2、3分別與電阻R14、R15相連通，Ul芯片的端口 4接地。
4.如權(quán)利要求1所述的微小型飛輪控制電路，其特征在于所述的電機(jī)電流反饋電路包括兩個(gè) AD820 芯片 U4、U5、電阻 R20 R26、R44、R45、R49、R50、電容 C16、C32，芯片 U5 的端口 2通過電阻R44與芯片U4的端口 6、電阻R24、R23、芯片U4的端口 2、電阻R22相連通，芯片U5的端口 3、4與電阻R25、R26、芯片U5的端口 7相連通，芯片U5的端口 6與電阻R45相連通 ’芯片U4的端口 3與串聯(lián)的電阻R21、R20相連、與并聯(lián)的電阻R49、R50、電容C16、C32相連通，芯片U4的端口 4接地，芯片U4的端口 7接+5V。
5.如權(quán)利要求1所述的微小型飛輪控制電路，其特征在于所述的溫度信號采集和處理電路包括芯片U6、電阻R27 R30、R34、R35、溫度傳感器Q2，芯片U6的端口 2、3與電阻R27、R28、溫度傳感器Q2、電阻R29、端口 7、+5V相連，芯片U6的端口 2還與電阻R30、R34、端口 7、電阻R35相連通，端口 4接地。
6.如權(quán)利要求1至5所述的微小型飛輪控制電路，其特征在于所述的通訊接口電路包括通訊接口芯片U7A、U7B、全雙工通訊協(xié)議接口 JP6、電阻R47、電容C33，芯片U7A的端口I與芯片Al的管腳31 (網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號RX)相連，端口 2、3、4、5接地，端口 6與對外連接JP6端口I相連，端口 7與對外連接JP6端口 2相連通，芯片U7B的端口 I懸空，端口 2、5接地，端口 3與芯片Al的管腳14 (網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號TFS I)相連，端口 4與芯片Al的管腳32 (網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號TX)相連，端口 6與對外連接JP6端口 3相連，端口 7與對外連接JP6端口 4相連，端口 8接+5V ;JP6的端口 1、2與電阻R47、電容C33連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微小型飛輪控制電路，其包括微處理器控制電路、通訊接口電路、電機(jī)電流反饋電路/溫度信號采集和處理電路、電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路、霍爾信號電路，微處理器控制電路分別與通訊接口電路、電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路、霍爾信號電路、電機(jī)電流反饋電路/溫度信號采集和處理電路相連通，電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)相連通。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)和有益效果是采用微型芯片，實(shí)現(xiàn)電路的集成化和小型化；整體尺寸小、重量輕、功耗低、適應(yīng)溫度范圍廣，能夠滿足深空探測航天器的使用要求。
文檔編號G05D1/08GK103019128SQ20111028981
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者姜寧翔, 孫丹, 金康進(jìn), 許辰, 劉勝忠, 陶侃凱 申請人:上海航天控制工程研究所