法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-06-04
授权
授权
2016-10-12
实质审查的生效 IPC(主分类):B64G1/32 申请日:20160422
实质审查的生效
2016-07-27
公开
公开
技术领域
本发明涉及卫星姿态控制技术领域,具体涉及一种高精度抗辐射 微小卫星三轴磁力矩器及其工作方法。
背景技术
磁力矩器是一种卫星姿态控制的执行机构,广泛应用于各种小卫 星中,尤其是对于在磁场较强的地球低轨道运行的微小卫星。其工作 原理主要是依靠控制线圈中电流的大小和方向来产生相应的磁矩并 与地磁场相互作用,从而产生可以控制卫星姿态的磁力矩,进而达到 控制卫星姿态的目的。
现有的技术缺点如下:
1.输出精度差;
2.数据处理能力差;
3.缺乏自动温度保护功能;
4.抗辐射性能不佳。
发明内容
本发明以应用于微小卫星的磁力矩器为研究对象,设计了一种新 型的磁力矩器,针对目前基于商用器件的磁力矩器普遍存在的处理能 力弱、控制精度低、易受空间辐射影响等缺点,采用新型抗辐射处理 器,增强处理能力,提高响应速度与控制精度,采用磁强计进行磁场 闭环控制,能够有效提高磁力矩器的控制精度。
为实现上述目的,本发明公开了如下技术方案:
一种高精度抗辐射微小卫星三轴磁力矩器,包括两个有金属芯的 磁棒、一个空心磁力矩器、处理器和磁强计,其中,两个金属芯的磁 棒分别形成X轴磁棒和Y轴磁棒,并在其上缠有线圈,空心磁力矩器 形成Z轴空心线圈,将X轴磁棒、Y轴磁棒、Z轴空心线圈、处理器 和磁强计集中在一块PCB板子上,并形成模块化,三个执行机构由 PWM信号独立驱动。
进一步的,所述Z轴空心线圈设置在PCB板中间,X轴磁棒设置 在Z轴空心线圈下侧,Y轴磁棒设置在Z轴空心线圈左侧,处理器和 磁强计设置在Z轴空心线圈内侧。
进一步的,所述PCB板子的尺寸为90mm*90mm。
进一步的,所述X轴磁棒和Y轴磁棒选取磁芯最大长度70mm, 其中磁芯两端各留出5mm的长度用于固定,磁芯的尺寸确定为Ф4mm ×70mm。
进一步的,X轴磁棒和Y轴磁棒上的线圈为具有抗辐照能力的聚 酰亚胺包铜线,绝缘封装固定薄膜采用聚酰亚胺薄膜。
进一步的,所述Z轴空心线圈为正方形绕线框,绕线框的内边框 长为53mm,外边框长为70mm,线框可绕线的宽度为8.5mm,满足理 论计算的约束要求。
本发明还公开了一种高精度抗辐射微小卫星三轴磁力矩器的工 作方法,所述磁力矩器采用双磁强计进行磁场反馈,第一磁强计采集 磁力矩器工作时三轴线圈附近的磁场强度,第二磁强计安装在卫星其 他位置,在磁力矩器关机时采集地磁场强度,两个磁强计采集的数据 反馈至处理器,对输出磁矩进行校正。
进一步的,磁力矩器的电路包括处理器,磁强计,时钟,驱动电 路,温度传感器,电流监测芯片,处理器是电路中心,时钟、驱动电 路直接接入处理器,磁强计通过I2C总线与处理器俩姐,温度传感器、 电流检测芯片通过SPI总线与处理器连接,由处理器产生PWM信号, 经过驱动电路驱动三轴产生磁力矩,磁力矩器通过I2C总线接收星载 计算机传送的控制指令,并将温度与电流信息传送给星载计算机。
进一步的,所述处理器为采用Microsemi生产的SmartFusion2 SoCFPGA;所述驱动电路采用TI公司的低压H桥集成芯片drv8837, 同时,采用BB公司的宽温仪表用放大器INA337,对流经线圈上的电 流信号进行采集,从而反馈给处理器,这样使得磁力矩器板具有检测 自身电流的功能;所述温度传感器采用国家半导体公司的低压数字温 度传感器LM70,温度传感器实时监测磁力矩器工作温度,并将数据 传回处理器进行处理,一旦出现温度过高的情况则关闭磁力矩器,提 高磁力矩器的可靠性。
本发明公开的一种高精度抗辐射微小卫星三轴磁力矩器及其工 作方法,具有以下有益效果:
1.解决目前磁力矩器控制精度低的问题,采用新型抗辐射处理器, 增加磁力矩器的可靠性;
2.采用双磁强计进行输出磁矩的闭环控制,提高磁力矩器的控制 精度。
3.具有电流监控与温度测量的功能,在温度过高情况下自动关闭 磁力矩器,提高磁力矩器的可靠性。
4.磁棒与紧固件一体设计,方便装配,增加了强度。
附图说明
图1是三轴磁力矩器示意图;
图2是空芯磁力矩器绕线框示意图;
图3是磁力矩器磁场反馈电路;
图4是磁力矩器电路设计整体方案图;
图5是磁力矩器驱动电路;
图6是磁力矩器测温电路;
其中:
1-Y轴磁棒2-Z轴空心线圈
3-磁强计4-X轴磁棒
5-处理器
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
请参见图1。一种高精度抗辐射微小卫星三轴磁力矩器,包括两 个有金属芯的磁棒、一个空心磁力矩器、处理器5和磁强计3,其中, 两个金属芯的磁棒分别形成X轴磁棒4和Y轴磁棒1,并在其上缠有 线圈,空心磁力矩器形成Z轴空心线圈2,将X轴磁棒4、Y轴磁棒1、 Z轴空心线圈2、处理器5和磁强计3集中在一块PCB板子上,并形 成模块化,三个执行机构由PWM信号独立驱动。
作为具体实施例,所述Z轴空心线圈2设置在PCB板中间,X轴 磁棒4设置在Z轴空心线圈2下侧,Y轴磁棒1设置在Z轴空心线圈 2左侧,处理器5和磁强计3设置在Z轴空心线圈2内侧。
作为具体实施例,所述PCB板子的尺寸为90mm*90mm。
作为具体实施例,所述X轴磁棒4和Y轴磁棒1选取磁芯最大长 度70mm,其中磁芯两端各留出5mm的长度用于固定,磁芯的尺寸确 定为Ф4mm×70mm。
作为具体实施例,考虑到磁力矩器工作的空间环境条件的恶劣性, X轴磁棒4和Y轴磁棒1上的线圈为具有抗辐照能力的聚酰亚胺包铜 线,绝缘封装固定薄膜采用聚酰亚胺薄膜。
见图2。作为具体实施例,所述Z轴空心线圈2为正方形绕线框, 绕线框的内边框长为53mm,外边框长为70mm,平均边长近似60mm, 线框可绕线的宽度为8.5mm,满足理论计算的约束要求。
本磁力矩器是一个三轴磁力矩器,针对微小卫星尺寸、质量和功 耗都较小的特点,本磁力矩器的设计方案由两个有金属芯的磁棒和一 个空芯磁力矩器组成,将三轴磁力矩器集中在一块90mm×90mm的PCB 板子上,节省空间,并形成模块化,三个执行机构由PWM信号独立驱 动,如图1所示。该磁力矩器体积很小,可在三个方向提供相当大的 磁矩,用于立方星的姿态控制。
见图3。本发明公开了一种高精度抗辐射微小卫星三轴磁力矩器 的工作方法,所述磁力矩器采用双磁强计进行磁场反馈,第一磁强计 采集磁力矩器工作时三轴线圈附近的磁场强度,第二磁强计安装在卫 星其他位置,在磁力矩器关机时采集地磁场强度,两个磁强计采集的 数据反馈至处理器,对输出磁矩进行校正。
见图4。作为具体实施例,磁力矩器的电路包括处理器,磁强计, 时钟,驱动电路,温度传感器,电流监测芯片,处理器是电路中心, 时钟、驱动电路直接接入处理器,磁强计通过I2C总线与处理器俩姐, 温度传感器、电流检测芯片通过SPI总线与处理器连接,由处理器产 生PWM信号,经过驱动电路驱动三轴产生磁力矩,磁力矩器通过I2C 总线接收星载计算机传送的控制指令,并将温度与电流信息传送给星 载计算机。
作为具体实施例,所述处理器为采用Microsemi生产的 SmartFusion2SoCFPGA;所述驱动电路采用TI公司的低压H桥集成 芯片drv8837,同时,采用BB公司的宽温仪表用放大器INA337,对 流经线圈上的电流信号进行采集,从而反馈给处理器,这样使得磁力 矩器板具有检测自身电流的功能;所述温度传感器采用国家半导体公 司的低压数字温度传感器LM70,温度传感器实时监测磁力矩器工作 温度,并将数据传回处理器进行处理,一旦出现温度过高的情况则关 闭磁力矩器,提高磁力矩器的可靠性。
此方案有以下一些特点:
(1)SmartFusion2处理器处理能力强,且抗辐射性能良好, 可以提高磁力矩器在空间工作的可靠性;
(2)采用双磁强计结构,可以测量磁力矩器工作时的磁场强 度与磁力矩器关机时卫星当地磁场,从而进行磁力矩器反馈控制, 提高控制精度
(3)磁力矩器板根据指令自主产生PWM信号,避免了模拟信 号在板间传递;
(4)三轴磁力矩独立驱动。
其中处理器采用Microsemi生产的SmartFusion2SoCFPGA,集 成了基于Flash的FPGA构件、一个166MHzARMCortexTM-M3处理器、 先进的安全处理加速器、DSP模块、SRAM、eNVM以及SPI,I2C,MMUART 等高性能通信接口。SmartFusion2有丰富的时钟资源,并且最大支 持200M外部时钟,相对于目前磁力矩器处理器普遍采用的6M或8M 时钟,其控制精度与处理速度将提高数十倍。SmartFusion2对单粒 子翻转(SEU)免疫,因此具有很高的可靠性,适合作为航天器处理器。 SmartFusion2功耗极低,M2S050系列工作时仅为10mW,待机状态低 于1mW。由于其强大的计算能力、高可靠性以及低功耗的特点, SmartFusion2被广泛应用于通信、国防、航空、航天以及医疗等领 域。
而驱动电路采用TI公司的低压H桥集成芯片drv8837,该芯片 专门用于驱动电机、步进电机或其他封装的绕组,最大可输出1.8A 的驱动电流,适合1.8V~11V的电机运行电源电压范围。同时,采用 BB公司的宽温仪表用放大器INA337,对流经线圈上的电流信号进行 采集,从而反馈给处理器,这样使得磁力矩器板具有检测自身电流的 功能。见图5,磁力矩器驱动电路。
见图6磁力矩器测温电路。温度测量采用国家半导体公司的低压 数字温度传感器LM70,该芯片使用SPI总线,10位分辨率,精度±2℃, 测量范围-55℃~125℃。温度传感器实时监测磁力矩器工作温度, 并将数据传回处理器进行处理,一旦出现温度过高的情况则关闭磁力 矩器,提高磁力矩器的可靠性。
本发明的关键点在于基于此类架构的三轴磁力矩器抗辐射方法, 基于温度反馈的自动保护方法,双磁强计磁场反馈控制方法设计。
由于该磁力矩器X,Y,Z三轴与控制电路在同一个平面内,因此 使用该磁力矩器可以有效降低磁力矩器的高度,节省微小卫星的空间, 使磁力矩器结构更紧凑;可以控制输出的磁矩大小,并且检测各轴的 电流、测量磁力矩器周围的温度,在温度过高时自动关机,从而保障 卫星在轨正常运行;抗辐射性能良好,适合空间工作;加入磁场反馈, 控制精度提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,而非对其限制;应当指出, 尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术 人员应当理解,其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修 改,或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改和替 换,并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范 围。
机译: 三轴六方向系统,用于在测量或用辐射等进行处理之前对晶片进行定位,其中高精度定位可以在光刻工艺中测量或照射非常精细的结构
机译: 三轴磁检测元件,三轴磁检测装置及其制造方法
机译: 2-(2-羟基-3-α-异丙基-5-t-辛苯甲腈)-2H-苯并三氮杂u为结晶形式及其制备方法,非晶态化合物组合物可抵抗光化性光ProCessos的不利影响而稳定并保护一种抗光化辐射引起的降解的有机材料。