CN103941762A - 一种具有冷备份功能的飞轮模拟器 - Google Patents

Abstract

一种具有冷备份功能的飞轮模拟器，具备飞轮动力学模型的高精度运算能力及冷备份功能；该飞轮模拟器包括电源管理模块、信号调理模块、信号选通模块、主飞轮模块和备份飞轮模块；主飞轮模块和备份飞轮模块分别与电源管理模块、信号调理模块、信号选通模块相连，用于信号的采集、处理和输出，实现飞轮动力学模型的解算；本发明考虑到飞轮的故障和干扰，飞轮动力学模型的计算精度高，且针对故障存在的情况采用冷备份技术，可以模拟当前飞轮出现故障后切换到备份飞轮的动作，适用于航空、航天及深空探测领域的航天器姿态控制系统地面仿真验证。

Description

一种具有冷备份功能的飞轮模拟器

技术领域

本发明涉及一种飞轮模拟器，可用于卫星姿态控制系统的地面仿真测试环节，适用于航空航天领域及深空探测环节。

背景技术

卫星工程是一项高风险、高投入、高度复杂而又高精度的系统工程，研制一个卫星的控制系统，虽然数学仿真可以大概模拟姿态控制系统的性能，但是由于数学模型很难精确地概括全部细节，有时候某些局部地细节误差有可能使系统性能发生质的变化；某些环境或干扰对器部件性能的影响很难建立准确的数学模型，由此引起的系统性能的改变也只能通过试验发现；一个已研制出来的复杂卫星控制系统在上天之前非常有必要在地面对它做出综合性能的定量评价，为了实现某种指标，试验过程中常常对控制系统的硬件或软件参数进行局部修改，于是半物理仿真便成为系统性能鉴定和优化设计的一种手段。而且由于卫星姿控系统具有造价昂贵，在地面难以调试等特性，因而建立卫星姿控系统的实时仿真系统，用半物理仿真来代替全物理仿真，及时地发现方案设计所忽略和不足的地方，检测方案和技术实现方面的可行性和合理性，对卫星的研制具有十分重要的意义。

在半物理仿真的初级阶段，模拟卫星器部件运动学和动力学模型的电模拟器倍受青睐。首先，电模拟器由实际需要出发，可以根据需要的信号和接口类型设计不同的输入输出接口；其次，电模拟器比数字仿真具有更好的效果，更贴近实际；最后，电模拟器是承接数字仿真和真实器件的重要环节，若直接由整个系统的数字仿真到气浮台、飞轮等半实物系统，可能会遇到很多不可预知的问题，通过电模拟器组成的电信号测试环节过渡，可以由浅入深的解决各个问题。飞轮作为卫星常用的执行机构，在姿态控制系统的验证环节必不可少，其动力学模型比较简单适于数字信号处理，飞轮电模拟器成为姿态运动学与动力学半物理仿真环节的重要组成部分。

飞轮电模拟器在相关领域已有使用，如基于定点型数字信号处理器的飞轮电模拟器和基于FPGA的飞轮电模拟器，也取得了良好的效果。然而现有的飞轮模拟器均存在以下三方面的不足：首先，现有飞轮模拟器仅能实现实物飞轮的电性能模拟功能，但是无法完成飞轮的故障注入及后续的故障切换功能，无法更真实的模拟飞轮在轨运行过程中可能出现的故障情况；其次，现有飞轮模拟器无法实现飞轮之间的冷备份功能，进而无法验证航天器姿控系统中的容错控制及重构算法；最后，现有的飞轮模拟器主控制器以定点数字信号处理器为主，但是定点信号处理器具有不善于处理浮点数的缺陷，不能很好的满足航空航天领域的高精度要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对卫星姿态控制系统的执行机构飞轮难以进行地面仿真的问题，设计了具有冷备份功能的飞轮模拟器，通过对飞轮数学模型的高精度解算模拟真实飞轮的输入输出关系；同时为了模拟飞轮出现故障时切换到备份飞轮的动作，采用冷备份原理，当主飞轮出现故障时，可由选通信号选通备份飞轮的内核电源和输出，切换至备份飞轮工作。

本发明提供一种具有冷备份功能的飞轮模拟器电路板，所述控制电路板包括：信号调理模块、串口电平转换模块、主飞轮模块、备份飞轮模块、信号选通模块和电源管理模块；所述电源管理模块与主飞轮模块、备份飞轮模块和信号选通模块相连，用于提供电源电压；所述信号调理模块与主飞轮模块和备份飞轮模块连接，用于将输入电压的范围转换为模数转换模块的允许输入电压范围；所述串口电平转换模块与主飞轮模块和备份飞轮模块相连，用于串口通信的电平转换；所述信号选通模块与主飞轮模块和备份飞轮模块相连，用于选通主飞轮与备份飞轮模块中的一个模块运行；所述主飞轮模块与信号调理模块、数模转换模块、串口电平转换模块相连，用于对输入电压信号进行采样、信号处理、输出数据;所述备份飞轮模块与信号调理模块、数模转换模块、串口电平转换模块相连，用于在主飞轮模块出现故障时对输入电压信号进行采样、信号处理、输出数据。

所述主飞轮模块由主模数转换模块、主TTL脉冲输出控制模块、主高精度信号处理模块、主串口通信模块、主数模转换控制模块组成，所述主模数转换模块、主TTL脉冲输出控制模块、主高精度信号处理模块、主串口通信模块、主数模转换控制模块通过数据指令总线互相连接，主模数转换模块与主串口通信模块将接收到得外部模拟信息和故障信息分别处理后传输给主高精度信号处理模块，主高精度信号处理模块经过相应的信息处理后，解算出实时的TTL脉冲输出控制信息和数模转换控制信息，并分别发送给主TTL脉冲输出控制模块和主数模转换控制模块，主数模转换控制模块进一步将处理后的指令传送给主数模转换模块完成数字量和模拟量之间的转换。

所述备份飞轮模块由备份模数转换模块、备份TTL脉冲输出控制模块、备份高精度信号处理模块、备份串口通信模块、备份数模转换控制模块组成。所述备份模数转换模块、备份TTL脉冲输出控制模块、备份高精度信号处理模块、备份串口通信模块、备份数模转换控制模块通过数据指令总线互相连接，备份模数转换模块与备份串口通信模块将接收到得外部模拟信息和故障信息分别处理后传输给备份高精度信号处理模块，备份高精度信号处理模块经过相应的信息处理后，解算出实时的TTL脉冲输出控制信息和数模转换控制信息，并分别发送给备份TTL脉冲输出控制模块和备份数模转换控制模块，备份数模转换控制模块进一步将处理后的指令传送给备份数模转换模块完成数字量和模拟量之间的转换。

所述信号处理模块由三个模拟开关组成，第一模拟开关选通主飞轮模块与备份飞轮模块的数模转换输出；第二模拟开关选通主飞轮模块与备份飞轮模块的TTL脉冲数出；第三模拟开关选择向主飞轮模块或备份飞轮模块中的嵌入式微处理器提供内核电压；三个模拟开关用于实现主飞轮模块运行到备份飞轮模块运行的切换。

飞轮模拟器的信号调理模块的输入端，所述模拟信号输入端口用于与卫星姿态控制模块的模拟信号输出端相连接。

飞轮模拟器的TTL脉冲信号输出模块，所述TTL脉冲信号输出端用于与卫星姿态运动学与动力学模型的匹配接口相连接，用于将转速和转速方向信号传输给卫星姿态运动学与动力学模块。

飞轮模拟器经过数模转换后的模拟信号输出端口，所述模拟输出端与卫星姿态控制模块相匹配的端口相连接，用于检测飞轮的轴承温度和电压。

飞轮模拟器与信号选通模块相连的数字信号输入端，所述信号选通输入端口与卫星姿态控制相匹配的端口相连接，用于姿态控制模块检测到主飞轮故障时切换到备份飞轮工作。

与串口通信模块相连的串口端，所述串口端与主控模块相匹配的端口两联，用于接收主控模块发出的故障信号。

本发明提供的具有冷备份功能的飞轮模拟器，其改进之处在于：

1）采用冷备份技术，同一时刻只有主飞轮模块和备份飞轮模块中的一个模块工作，降低模拟器的电能消耗。

2）采用冷备份技术，由信号选通模块实现主飞轮与备份飞轮的在线切换功能，可以模拟故障突发时星载计算机对飞轮的备份启动操作，

附图说明

图1为本发明提供的具有冷备份功能的飞轮模拟器结构图；

图2为本发明提供的信号调理模块电路原理图；

图3为本发明提供的数模转换模块电路原理图；

图4为本发明提供的卫星姿态控制系统半物理仿真结构图；

图5为本发明提供的飞轮模拟器主飞轮与备份飞轮切换实现原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种具备冷备份功能的飞轮模拟器，如图1所示，该飞轮模拟器包括信号选通模块、电源管理模块、信号调理模块、主飞轮模块、备份飞轮模块、数模转换模块、串口电平转换模块。所述电源管理模块与主飞轮模块、备份飞轮模块和信号选通模块相连，用于提供电源电压；所述信号选通模块与电源管理模块、主飞轮模块和备份飞轮模块相连，用于选通主飞轮模块和备份飞轮模块的内核电压及输出；所述信号调理模块与主飞轮模块和备份飞轮模块相连，用于将输入电压信号调理至允许的范围内；所述串口电平转换模块与主飞轮模块和备份飞轮模块相连，用于接收上位机的故障信号；所述主飞轮模块与信号调理模块、数模转换模块、串口电平转换模块相连，用于对输入电压信号进行采样、信号处理、输出数据;所述备份飞轮模块与信号调理模块、数模转换模块、串口电平转换模块相连，用于在主飞轮模块出现故障时对输入电压信号进行采样、信号处理、输出数据。本实施例的主飞轮及备份飞轮模块选用TMS320F28335作为主控制器，信号调理模块用于飞轮模拟器的输入部分，由信号调理电路的输入输出电压范围可知，本实施例的信号调理电路采用运放来实现比例放大和偏置操作，电路设计如图2所示。FD_S1即为信号调理模块输入，经过偏置信号BIAS_S1的作用，进而经过一级放大和滤波电路，输出期望范围内的电压信号Filtered_S1。按照期望的输入输出关系，U1AD运放的反馈电阻为3KΩ，U1AB提供的偏置电压BIAS_S1为-5V。

所述主飞轮模块由主模数转换模块、主TTL脉冲输出控制模块、主高精度信号处理模块、主串口通信模块、主数模转换控制模块组成，所述主模数转换模块、主TTL脉冲输出控制模块、主高精度信号处理模块、主串口通信模块、主数模转换控制模块通过数据指令总线互相连接，主模数转换模块与主串口通信模块将接收到得外部模拟信息和故障信息分别处理后传输给主高精度信号处理模块，主高精度信号处理模块经过相应的信息处理后，解算出实时的TTL脉冲输出控制信息和数模转换控制信息，并分别发送给主TTL脉冲输出控制模块和主数模转换控制模块，主数模转换控制模块进一步将处理后的指令传送给主数模转换模块完成数字量和模拟量之间的转换。本实施例的数模转换模块选择TI公司的TLV5618数模转换器，采用SPI时序获得输入的数字信号，可与主飞轮及备份飞轮模块的TMS320F28335主控制器提供的多通道缓冲串口实现无缝连接。数模转换模块电路设计如图3所示，TLV5618的片选信号、输入时钟信号、输入数据信号分别由DSP多通道缓冲串口的帧信号、时钟信号和数据信号驱动。LM4040输出2.5V基准电压供TLV5618作为参考电压。

所述备份飞轮模块由备份模数转换模块、备份TTL脉冲输出控制模块、备份高精度信号处理模块、备份串口通信模块、备份数模转换控制模块组成。所述备份模数转换模块、备份TTL脉冲输出控制模块、备份高精度信号处理模块、备份串口通信模块、备份数模转换控制模块通过数据指令总线互相连接，备份模数转换模块与备份串口通信模块将接收到得外部模拟信息和故障信息分别处理后传输给备份高精度信号处理模块，备份高精度信号处理模块经过相应的信息处理后，解算出实时的TTL脉冲输出控制信息和数模转换控制信息，并分别发送给备份TTL脉冲输出控制模块和备份数模转换控制模块，备份数模转换控制模块进一步将处理后的指令传送给备份数模转换模块完成数字量和模拟量之间的转换。

所述信号处理模块由三个模拟开关组成，第一模拟开关选通主飞轮模块与备份飞轮模块的数模转换输出；第二模拟开关选通主飞轮模块与备份飞轮模块的TTL脉冲数出；第三模拟开关选择向主飞轮模块或备份飞轮模块中的嵌入式微处理器提供内核电压；三个模拟开关用于实现主飞轮模块运行到备份飞轮模块运行的切换。

实施例二

本实例提供一种使用具有冷备份功能的飞轮模拟器在卫星姿态控制系统半物理仿真回路的应用实例。如图4所示，卫星姿态控制系统的半物理仿真回路包括卫星姿态运动学与动力学仿真计算机、敏感器信号源、星载计算机与具有冷备份功能的飞轮模拟器。半物理仿真回路工作原理如下：敏感器信号源接收来自姿态运动学与动力学仿真计算机的物理姿态信息同时完成卫星姿态的实时解算，解算出的姿态角与姿态角速度信息发送给星载计算机，星载计算机结合卫星任务解算出实时控制指令，并转换为电压信号连同当前的飞轮选通信号一并传送给具有冷备份功能的飞轮模拟器，具有冷备份功能的飞轮模拟器执行实时电压指令，并将其转换为对应的转速信息发送给姿态运动学与动力学仿真计算机驱动卫星运动，同时具有冷备份功能的飞轮模拟器回传实时转速信息与遥测信息给星载计算机。所述选通信号输入接口与星载计算机连接，用于选通主飞轮或备份飞轮运转。所述模拟信号输入接口与星载计算机连接，用于将星载计算机给出的电压信号转换为数字信号。所述RS232串口接口与上位机连接，用于接收上位机输出的故障信息。所述遥测信息输出接口与星载计算机连接，用于将遥测信息反馈回星载计算机。所述TTL脉冲输出端口与卫星姿态运动学与动力学仿真计算机连接，用于将飞轮模拟器输出的角动量信息传送给卫星本体的姿态模型。

实施例三

本实例提供一种使用具有冷备份功能的飞轮模拟器在卫星姿态控制系统半物理仿真回路实现主飞轮与备用飞轮切换的方案。具体的信号流如图5所示，本实例中所述选通信号输入接口与星载计算机连接，用于选通主飞轮或备份飞轮运转。所述模拟信号输入接口与星载计算机连接，用于将星载计算机给出的电压信号转换为数字信号。所述RS232串口接口与上位机连接，用于接收上位机输出的故障信息。所述遥测信息输出接口与星载计算机连接，用于将遥测信息反馈回星载计算机。所述TTL脉冲输出端口与卫星姿态运动学与动力学仿真计算机连接，用于将飞轮模拟器输出的角动量信息传送给卫星本体的姿态模型。

具有冷备份功能的飞轮模拟器实现主飞轮与备用飞轮切换的具体流程如下：系统上电运行初始，上位机输出选通信号至图5中所示的2通道模拟开关，主飞轮通道正常运行，备份飞轮通道关闭，包括选通主飞轮通道的供电电源和输出信号；当主飞轮通道接收到上位机发送的故障信号后，则以故障模式运行，实际输出与姿态控制系统的期望输出产生偏差；星载计算机实时对飞轮模拟器的输出进行检测，当期望输出与期望输入达到故障级偏差时，即输出选通信号，关闭主飞轮通道，启动备份飞轮通道，包括选通备份飞轮通道的供电电源和输出信号。至此，飞轮模拟器的主飞轮通道与备份飞轮通道切换动作完成。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种具有冷备份功能的飞轮模拟器，包括信号调理模块（1）、串口电平转换模块（2）、主飞轮模块（3）、备份飞轮模块（4）、信号选通模块（5）和电源管理模块（6）；所述信号调理模块（1）与主飞轮模块（3）和备份飞轮模块（4）连接，用于将输入的电压范围转换为模数转换模块的允许输入电压范围；所述串口电平转换模块（2）与主飞轮模块（3）和备份飞轮模块（4）相连，用于串口通信的电平转换；所述信号选通模块（5）与主飞轮模块（3）和备份飞轮模块（4）相连，用于选择主飞轮与备份飞轮中的一个模块运行；所述电源管理模块（6）与主飞轮模块（3）、备份飞轮模块（4）和信号选通模块（5）相连，用于提供电源电压；所述主飞轮模块（3）与信号调理模块（1）、串口电平转换模块（2）、信号选通模块（5）相连，用于模拟主飞轮的运行，对输入电压信号进行采样、信号处理、输出数据;所述主飞轮模块（3）由主模数转换模块（31）、主TTL脉冲输出控制模块（32）、主高精度信号处理模块(33)、主串口通信模块（34）、主数模转换控制模块（35）组成，所述主模数转换模块（31）、主TTL脉冲输出控制模块（32）、主高精度信号处理模块(33)、主串口通信模块（34）、主数模转换控制模块（35）通过数据指令总线互相连接，主模数转换模块（31）与主串口通信模块（34）将接收到的外部模拟信息和故障信息分别处理后传输给主高精度信号处理模块(33)，主高精度信号处理模块(33)经过相应的信息处理后，解算出实时的TTL脉冲输出控制信息和数模转换控制信息，并分别发送给主TTL脉冲输出控制模块（32）和主数模转换控制模块（35），主数模转换控制模块（35）进一步将处理后的指令传送给主数模转换模块（36）完成数字量和模拟量之间的转换；所述备份飞轮模块与信号调理模块（1）、串口电平转换模块（2）、信号选通模块（5）相连，用于在主飞轮模块出现故障时模拟备份飞轮的运行，对输入电压信号进行采样、信号处理、输出数据；所述备份飞轮模块（4）由备份模数转换模块（41）、备份TTL脉冲输出控制模块（42）、备份高精度信号处理模块(43)、备份串口通信模块（44）、备份数模转换控制模块（45）组成；所述备份模数转换模块（41）、备份TTL脉冲输出控制模块（42）、备份高精度信号处理模块(43)、备份串口通信模块（44）、备份数模转换控制模块（45）通过数据指令总线互相连接，备份模数转换模块（41）与备份串口通信模块（44）将接收到的外部模拟信息和故障信息分别处理后传输给备份高精度信号处理模块(43)，备份高精度信号处理模块(43)经过相应的信息处理后，解算出实时的TTL脉冲输出控制信息和数模转换控制信息，并分别发送给备份TTL脉冲输出控制模块（42）和备份数模转换控制模块（45），备份数模转换控制模块（45）进一步将处理后的指令传送给备份数模转换模块（46）完成数字量和模拟量之间的转换。

2.根据权利要求1所述的具有冷备份功能的飞轮模拟器，其特征在于：所述信号处理模块（5）由三个模拟开关组成，第一模拟开关选通主飞轮模块与备份飞轮模块的数模转换输出；第二模拟开关选通主飞轮模块与备份飞轮模块的TTL脉冲数出；第三模拟开关选择向主飞轮模块或备份飞轮模块中的嵌入式微处理器提供内核电压；三个模拟开关用于实现主飞轮模块运行到备份飞轮模块运行的切换。