CN105799953B

CN105799953B - 一种高精度抗辐射微小卫星三轴磁力矩器及其工作方法

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Publication number: CN105799953B
Application number: CN201610256614.5A
Authority: CN
Inventors: 白博; 王圣允; 周军; 庞维健
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2036-04-22
Also published as: CN105799953A

Abstract

本发明涉及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。本发明还涉及一种高精度抗辐射微小卫星三轴磁力矩器的工作方法。本发明的优点体现在：增加磁力矩器的可靠性；提高磁力矩器的控制精度；具有电流监控与温度测量的功能，磁棒与紧固件一体设计，方便装配，增加了强度。

Description

一种高精度抗辐射微小卫星三轴磁力矩器及其工作方法

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SmartFusion2SoC FPGA；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SmartFusion2SoC FPGA；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SmartFusion2SoC FPGA，集成了基于Flash的FPGA构件、一个166MHz ARM Cortex^TM-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。

Claims

1.一种高精度抗辐射微小卫星三轴磁力矩器，其特征在于，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，其中：

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；

所述PCB板子的尺寸为90mm*90mm；

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；

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；

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；

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，其中：

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总线与处理器连接，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；

所述处理器为采用Microsemi生产的SmartFusion2SoC FPGA；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美国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。