CN106292788A - 一种空间应用伺服控制器的热控结构 - Google Patents

一种空间应用伺服控制器的热控结构 Download PDF

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Abstract

一种空间应用伺服控制器的热控结构，属于电子电路温度控制领域。该热控结构由金属结构和柔性导热垫实现热量的双向传导，加热和散热使用同一路径，为在高低温交变的环境下伺服控制器温度控制，提供了一种可靠结构。控制伺服控制器内温度在一定温度范围内，提高伺服控制器中电子元器件测量数据的精度、可靠性以及寿命，保证伺服控制器运行的稳定性和可靠性。该热控降低了结构的复杂度，减少了传热失效环节，在各种边界条件和内部热状态下，保证了温度的稳定性，确保了对温度较为敏感的电子元器件的精度和准确性，适用于空间机械臂等对运算结果精度要求非常高的设备。

Description

一种空间应用伺服控制器的热控结构
技术领域：
本发明涉及一种热控结构，尤其涉及一种空间轨道运行的机械臂伺服控制器的热控结构，属于电子电路温度控制领域。
背景技术：
空间机械臂是集机械、电子、热控、视觉、动力学等多学科于一体的高端航天装备，是未来空间机构一个新的发展方向，有着广阔的应用前景和很强的技术牵引与带动作用。空间机构在应用时一般暴露在空间环境中，需要面对微重力、真空、低温、原子氧和辐射等复杂的太空环境。其中温度控制和抗辐照设计是空间机构能否成功稳定运行的关键设计之一。
空间机械臂运行在近地太阳同步轨道，不同阶段的热环境相差极大，在太阳直射区域，受到太阳的直接照射、太阳自地球的反照和地球的红外辐射等热流，空间机构将面临高温和辐照的考验；进入太阳辐射阴影区时，没有太阳辐射，宇宙空间背景辐射能量微乎其微，空间机构又将面临低温的环境。空间机械臂在近地轨道周期性运行，热环境也周期性的发生变化，在不同运行阶段最大温差可达±100℃。空间机械臂伺服控制器作为机械臂系统的运动控制实现核心，通过内部复杂的控制电路实现机械臂的运动控制，控制电路中多数电子器件对温度比较敏感，且需要承受高温和低温的循环交替考验。同时，机械臂自身内部，部分芯片耗散一部分热量，电机运行时也释放一定的热量。这部分热量对机械臂内部热环境也产生一定的影响。需要通过热控设计，在各种边界条件和内部热状态下，实现空间机械臂各部分温度在规定范围内，从而保证伺服控制器的可用性、精度以及寿命等产生重要的影响。
传统的控制器热控设计，采用金属壳传导和与外界隔热的方式进行温控，温度会随着外界和设备内部热流变化而改变，温度变化会影响一些对温度较为敏感的器件的精度和准确性，尤其对于空间机械臂这种对运算结果精度要求非常高的设备，传统热控方法显然不能满足要求。
发明内容：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种空间应用伺服控制器的热控结构，，保证了温度的稳定性，确保了对温度较为敏感的元器件的精度和准确性。
本发明的技术解决方案是：一种空间应用伺服控制器的热控结构，包括上热控板、下热控板、上电加热片、下电加热片、柔性导热垫片、侧壁、温度传感器以及温控电路；
温度传感器以及温控电路布置在控制电路的电路板上，温度传感器实时采集电路板温度发送给温控电路，温控电路根据电路板温度计算控制电路元器件的温度，根据控制电路元器件的温度启动或关闭上电加热片和下电加热片；
上热控板和下热控板对应于控制电路上元器件的位置加工有凸台，热控结构装配完成后各凸台与控制电路上对应元器件的间距一致；上电加热片贴合在上热控板下表面，下电加热片贴合在下热控板上表面，且上电加热片和下电加热片对应于控制电路上各元器件的位置为镂空结构，柔性导热垫片铺放在控制电路的元器件上，上热控板贴合到控制电路上表面的柔性导热垫片上，下热控板贴合到控制电路下表面的柔性导热垫片上，上热控板、下热控板与控制电路紧固连接；侧壁套在控制电路的外围，且与上热控板和下热控板紧固连接。
所述下热控板下表面设置有散热窗，所述散热窗用于向外辐射热控结构内部的热量，同时反射外部的光辐照；
在下热控板外表面除散热窗以外的部分以及上热控板和侧壁外表面设置有隔热层。
所述散热窗的材料为铝合金光亮镀金。
上热控板、下热控板与控制电路通过聚四氟乙烯垫柱和螺钉紧固连接。
所述上电加热片和下电加热片均采用聚酰亚胺薄膜作为外层保护，内层布置电阻丝。
所述温控电路根据电路板温度计算控制电路元器件的温度的实现方式如下：
(6.1)首先通过仿真方法，计算控制电路的电路板上，温度传感器到被监测元器件结的热阻Rjc；
(6.2)根据温度传感器采集的温度和伺服控制器不同工作状态下热量损耗参数利用公式Tj＝λ·Tc+Qi·Rjc+ΔTi计算被监测元器件的结温Tj，其中Tc为温度传感器采集的温度，λ为温度修正系数，Qi为伺服控制器不同状态下的总功耗，ΔTi为电机辐射升温。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)该结构由金属结构和柔性导热垫实现热量的双向传导，加热和散热使用同一路径，降低了结构的复杂度，减少了传热失效环节，在各种边界条件和内部热状态下，保证了温度的稳定性，确保了对温度较为敏感的元器件的精度和准确性，适用于空间机械臂等对运算结果精度要求非常高的设备。
2)本发明热控结构外部包裹隔热材料，并设置散热窗。由散热窗增加向外的热辐射和降低外向内的辐射热的吸收。降低外部环境对内的辐射的同时，避免了彻底将设备与外界完全隔离，内部热量损耗无法向外辐射，造成热量堆积、温度升高的问题。
3)本发明在低温条件下可以实现对器件的加热，避免因温度过低造成设备无法启动或元器件失效的问题。
4)本发明通过布置单点或多点温度传感器实时监测电路板内部温度，将采集数据传递给温控电路，温控电路通过预先设定的算法，估算电路上元器件节点温度，进而控制电加热片和过温保护功能的打开和关闭。这一设计避免了直接测量期间节点温度的所带来的困难，使设备内部温度稳定在一定范围内。
附图说明：
图1为本发明热控结构示意图；
图2为散热工况示意图；
图3为加热工况示意图；
图4为热控机构各模块信息交互示意图；
图5为热控结构外围温度防护示意图；
图6为热阻仿真计算示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行说明。
随着电子电力的发展，电子元器件的运算量和复杂型的不断提升，功耗随之不断增加，温度控制也成为电子设备发展的关键技术之一。本发明提供了一种热控结构，为在高低温交变的环境下伺服控制器中电子器件的温度控制，提供了一种可靠结构。该热控结构通过实时的监测、运算、反馈，以及优化的热量传导路径，控制伺服控制器内温度在一定温度范围内，提高伺服控制器中电子元器件的精度、可靠性以及寿命，保证伺服控制器运行的稳定性和可靠性。
如图1所示，空间机构伺服控制器控制核心为控制电路的电路板104，温度敏感元器件(芯片)分布在该板的两侧。本发明热控结构主体采用双层热控板夹装电路板的设计，即通过上热控板101和下热控板109将控制电路板夹装。上热控板101、下热控板109、上电加热片102和下电加热片108的尺寸与控制电路相匹配，上热控板101和下热控板109采用铝合金材料，表面设置高度不同的凸台，并与电路板104上的元器件相对应，保证夹装后控制电路板上各元器件与凸台间距一致。在上热控板101的下表面贴装上电加热片102，在下热控板109的上表面贴装下电加热片108，且上电加热片102和下电加热片108对应于控制电路上各器件的位置为镂空结构，上电加热片102和下电加热片108采用聚酰亚胺薄膜作为外层保护，内层布置电阻丝，通电后(启动后)电阻丝产生热量向外传导，达到加热目的。电加热片上相应的布置开孔，使凸台不被覆盖，以免影响控制电路各器件与热控板之间的传热。为了降低接触热阻，在控制电路板上各元器件与上热控板的凸台之间添加上柔性导热垫片103，在控制电路板上各器件与下热控板的凸台之间添加下柔性导热垫片106，一方面降低传热路径的热阻，另一方起到缓冲作用，保护凸台可能对器件造成的冲击损伤。温度传感器以及温控电路布置在控制电路的电路板上，温度传感器实时采集电路板温度发送给温控电路，温控电路根据电路板温度计算控制电路元器件的温度，根据控制电路元器件的温度启动或关闭上电加热片102和下电加热片108。
上热控板101、下热控板109与控制电路板104通过聚四氟乙烯垫柱105和螺钉安装到一起，垫柱采用弹性材料，起到缓冲作用对电路板进行保护。上、下热控板101和109和侧壁107通过螺钉紧固到一起，侧壁与空间机械臂整体联通，热量主要通过侧壁传导到机械臂整体以便散热。
温控电路根据电路板温度计算控制电路元器件的温度的实现方式如下：
(1)首先通过仿真方法，计算控制电路的电路板上，温度传感器到被监测元器件结的热阻Rjc；热阻仿真的计算结果如图6所示。
(2)根据温度传感器采集的温度和伺服控制器不同工作状态下热量损耗参数利用公式Tj＝λ·Tc+Qi·Rjc+ΔTi计算被监测元器件的结温Tj，其中Tc为温度传感器采集的温度，λ为温度修正系数，由于传感器测量的温度与控制板处实际温度有偏差，因此由此系数进行修正，该值由实验测得，λ值取1.1。Qi为伺服控制器不同状态下的总功耗，由于机械臂在进行不同动作及工况下，元器件产生的热损耗有所不同，热损耗取不同的Qi值。ΔTi为电机辐射升温，对应电机不同动作及工况下，电机热辐射导致的温升取不同的ΔTi值。Rjc为温度传感器到元器件结的热阻。
本发明的工作原理如下：
以电路板上方各器件为例，如图2所示，在散热工况下，电路板104上的元器件自身耗散的热量及从外界吸收的热量，经过上柔性导热垫片103传递到上热控板101，再通过上热控板传导到空间机械臂侧壁107，空间机构外壁是机构整体的主要散热器。在电路板上布置温度传感器，监测元器件周边的温度，温度超过上限时，启动温控模块的过温保护功能。
如图3所示，在加热工况下，温度传感器111首先监测到元器件周边温度低于临界值，温控模块启动上电加热片102。电加热片对上热控板101进行加热，同时热量通过上热控板，经过上柔性导热垫片103传递给电路板上的元器件104，以保证元器件在低温运行阶段，温度维持在一定范围内。
该热控结构的温度监测和控制功能，主要通过温度传感器111、电加热片以及电路板104上的温控模块来实现。如图4所示，通过布置在电路板上的温度传感器采集温度信息，传递给温控电路，一方面，监测温度低于低温临界点时，温控电路启动电加热片，达到一定温度时，关闭电加热片；另一方面，温控电路设计了过温保护功能，当温度传感器检测到控制电路温度过高时，温控模块关闭，温控电路只保留温度检测功能，控制器进入低功耗模式。当检测到一段时间内所有温度传感器均低于指定温度后开启全部功能，进入正常运转模式。
热控结构外壳包裹隔热层，在控制器底面划定一定区域，该区域不做隔热层包裹处理。其示意图如图5。该区域采用铝合金，做光亮处理并电镀金形成散热窗，该材料具有对辐射的高发射率和较低的吸收比，通过该热控涂层调整散热窗区域金属壳表面的热辐射特性，，在降低对外界辐射的吸收的同时，增强向外界环境的热辐射能力，从而向外界发散热量。散热窗作为机械臂机构与外界真空环境热量交换的重要区域，对机构整体的热控都起到了重要作用。
本发明的热控结构不仅适用于近地太阳同步轨道的空间机构，同样适用于室外、沙漠等高低温交变的工作环境或其它极端环境下的电力电子设备的温度控制，亦可以用于对温度敏感的电力电子设备的恒温控制。
本发明通过布置单点或多点温度传感器实时监测电路板内部温度，将采集数据传递给温控电路，温控电路通过预先设定的算法，估算电路上元器件节点温度(如果是布置多点温度传感器，则根据每个传感器测得的温度得到元器件的温度，然后将得到的多个元器件的温度求取平均值，该平均值即为元器件节点温度)，进而控制电加热片和过温保护功能的打开和关闭。
本发明的热控结构，成功应用于某空间机械臂运动机构，并顺利通过了轨道环境模拟实验，经测试该热控结构将控制电路温度控制在30～35℃之内，确保了机械臂动作位置误差在±0.1°之内，成功完成了运行目标。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种空间应用伺服控制器的热控结构，其特征在于：包括上热控板(101)、下热控板(109)、上电加热片(102)、下电加热片(108)、柔性导热垫片、侧壁(107)、温度传感器以及温控电路；
温度传感器以及温控电路布置在控制电路的电路板上，温度传感器实时采集电路板温度发送给温控电路，温控电路根据电路板温度计算控制电路元器件的温度，根据控制电路元器件的温度启动或关闭上电加热片(102)和下电加热片(108)；
上热控板(101)和下热控板(109)对应于控制电路上元器件的位置加工有凸台，热控结构装配完成后各凸台与控制电路上对应元器件的间距一致；上电加热片(102)贴合在上热控板(101)下表面，下电加热片(108)贴合在下热控板(109)上表面，且上电加热片(102)和下电加热片(108)对应于控制电路上各元器件的位置为镂空结构，柔性导热垫片铺放在控制电路的元器件上，上热控板(101)贴合到控制电路上表面的柔性导热垫片上，下热控板(109)贴合到控制电路下表面的柔性导热垫片上，上热控板(101)、下热控板(109)与控制电路紧固连接；侧壁(107)套在控制电路的外围，且与上热控板(101)和下热控板(109)紧固连接。
2.根据权利要求1所述的一种空间应用伺服控制器的热控结构，其特征在于：所述下热控板(109)下表面设置有散热窗，所述散热窗用于向外辐射热控结构内部的热量，同时反射外部的光辐照；
在下热控板(109)外表面除散热窗以外的部分以及上热控板(101)和侧壁(107)外表面设置有隔热层。
3.根据权利要求2所述的一种空间应用伺服控制器的热控结构，其特征在于：所述散热窗的材料为铝合金光亮镀金。
4.根据权利要求1所述的一种空间应用伺服控制器的热控结构，其特征在于：上热控板(101)、下热控板(109)与控制电路通过聚四氟乙烯垫柱(105)和螺钉紧固连接。
5.根据权利要求1所述的一种空间应用伺服控制器的热控结构，其特征在于：所述上电加热片(102)和下电加热片(108)均采用聚酰亚胺薄膜作为外层保护，内层布置电阻丝。
6.根据权利要求1所述的一种空间应用伺服控制器的热控结构，其特征在于：所述温控电路根据电路板温度计算控制电路元器件的温度的实现方式如下：
(6.1)首先通过仿真方法，计算控制电路的电路板上，温度传感器到被监测元器件结的热阻Rjc；
(6.2)根据温度传感器采集的温度和伺服控制器不同工作状态下热量损耗参数利用公式Tj＝λ·Tc+Qi·Rjc+ΔTi计算被监测元器件的结温Tj，其中Tc为温度传感器采集的温度，λ为温度修正系数，Qi为伺服控制器不同状态下的总功耗，ΔTi为电机辐射升温。
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