CN109471421A - 一种卫星控制系统陀螺信号源及激励生成方法 - Google Patents

一种卫星控制系统陀螺信号源及激励生成方法 Download PDF

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Abstract

针对当前陀螺信号源精度低和自动化程度低的现状，本发明提供了一种卫星控制系统陀螺信号源及激励生成方法。该信号源通过设计DA转换电路，采用区域匹配电路方法，将输出激励电流可调范围增大，在不同的输出范围下，分别实现不同的电流输出精度，并通过CAN总线与动力学计算机通信，增加动力学指令，提高陀螺信号源操作的自动化程度。本发明可以在降低陀螺信号源成本的同时，整体提高输出电流激励精度和可调范围，并且自动化设计便于未来的测试能力提升。

Description

一种卫星控制系统陀螺信号源及激励生成方法
技术领域
本发明适用于航天器地面测试领域，涉及一种卫星控制系统陀螺信号源及激励生成方法。
背景技术
卫星控制系统中陀螺系统由陀螺和陀螺线路盒组成，主要完成卫星在轨运行中的角速度和姿态信息的采集和计算。卫星地面测试过程中，需要陀螺系统配合完成控制系统的功能和性能整星级验证。
由于卫星地面测试过程中，卫星并不发生姿态和位置变化，星上陀螺不能真实采集到卫星在轨运动过程中的角速度变化，产生卫星角速度反馈。因而需要由专用测试设备来替代陀螺，与控制系统构成闭环，完成地面测试任务。该套测试设备的核心为陀螺信号源，它与动力学计算机、星上陀螺线路盒相连接，与控制系统构成测试闭环，完成控制系统功能和性能地面测试。图1是典型的陀螺信号源闭环测试连接图。陀螺信号源的功能是，将动力学计算机模拟解算的卫星三轴角速度信息，转换为一一对应的电流，替代真实陀螺产生的电流激励，输送给陀螺线路盒，为控制系统提供卫星三轴角速度信息，构成控制系统闭环。
当前地面测试设备中的陀螺信号源，虽然能够满足控制系统测试要求，但是体积大，自动化程度低，激励信号精度有待提高。许多操作均需要人工对信号源进行干预，不利于远程测试和人机分离的测试模式，降低了测试过程的流畅性，具有操作安全隐患，也增加了人力和时间成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对当前陀螺信号源精度低、自动化程度低的问题，提供了一种卫星控制系统陀螺信号源及激励生成方法，实现了陀螺信号源的小型化和自动化，提高了易用性和可靠性。
本发明所采用的技术方案是：一种卫星控制系统陀螺信号源，包括：主控制器模块、DA转换模块、V/I转换模块、区域匹配输出模块和安全隔离模块；
主控制器模块采用具有CAN总线通信功能的单片机，通过CAN总线接收动力学计算机发送的卫星三轴角速度数据和信号源输出控制信号，处理产生若干DA转换模块的输入数据流DIN和相应的控制信号/CS、LDAC，分别发送至各DA转换模块；主控制器模块将远程控制信号发送至区域匹配输出模块；远程控制信号包括输出精度选择信号GAn_SPAN和输出状态控制信号GAn_OFF；
各DA转换模块上电后首先进行自校准，采用串行输入的方式，接收主控制器模块发送的各路输入数据流DIN，依据单片机控制信号/CS和LDAC时序关系，将输入数据流DIN转换为模拟电压信号，向V/I转换模块输出；
V/I转换模块通过推挽放大电路将DA转换模块发送的模拟电压信号转换为满足驱动要求的电流激励信号，发送至区域匹配输出模块；
区域匹配输出模块接收主控制器模块发送的输出精度选择信号GAn_SPAN，控制三极管Q1的通断状态，操控单刀双掷继电器U1，实现不同匹配电阻的选择，调节输出电流激励的范围精度；区域匹配输出模块接收主控制器发送的输出状态控制信号GAn_OFF，控制三极管Q2的通断状态，操控单刀双掷继电器U2，实现对是否对外输出电流激励的控制；
安全隔离模块包括电源隔离和信号隔离；电源隔离采用隔离电源，将所述信号源外部电源与内部多路不同的电源隔离开；信号隔离采用单向和双向磁偶，对主控制器模块和DA转换模块的之间的交互信号进行隔离。
所述推挽放大电路包括电阻R1～R3、运算放大器LF411和三极管，运算放大器LF411的正向输入端连接DA转换模块的输入端；运算放大器LF411的输出端连接NPN三极管和PNP三极管的B极；运算放大器LF411的输出端通过电阻R1连接NPN三极管的C极和电源正极，通过电阻R3连接NPN三极管的E极和PNP三极管的C极，通过电阻R2连接PNP三极管的E极、电源负极；运算放大器LF411的负向输入端接地。
所述主控制器模块对每个卫星三轴角速度数据按照2字节double型数据，当量0.0001°/s的约定协议进行解算。
所述DA转换模块输出的模拟电压信号的范围为-10V～+10V。
所述V/I转换模块输出的电流激励信号的范围为-65mA～+65mA。
根据所述卫星控制系统陀螺信号源进行陀螺信号源激励生成的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)主控制器模块初始化，控制DA转换模块清零和自校准；
(2)主控制器模块接收动力学计算机发送的卫星三轴角速度信息，并解算出对应的输出电流值；
(3)将输出电流对应的数字流数据发送给DA转换模块进行DA转换，产生模拟电压信号；
(4)模拟电压信号经过V/I转换模块转换和推挽放大，并根据输出电流精度选择相应的输出匹配电阻，产生电流激励In；
(5)远程选择电流输出状态，控制电流激励是否输出。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明基于高精度DA和区域匹配原则，根据不同输出要求，调节输出不同精度的电流激励信号，提高了陀螺信号源整体性能。
(2)本发明具有远程控制能力，将动力学计算机和陀螺信号源整合为一体，可以根据不同测试工况远程自动控制信号源输出状态，对输出精度进行设置，提高了自动化程度和成熟度。
(3)本发明基于嵌入式设备，将原有的陀螺信号源进行了小型化，能够满足新一代控制地面测试系统4U标准机箱的需求，具有成本低、小型化的特点。
(4)本发明通过设计DA转换电路，采用区域匹配电路方法，将输出激励电流可调范围增大，在不同的输出范围下，分别实现不同的电流输出精度，并通过CAN总线与动力学计算机通信，增加动力学指令，提高陀螺信号源操作的自动化程度。
附图说明
图1是典型的陀螺测试状态组成图。
图2是本发明提出的陀螺信号源原理示意图。
图3是本发明所述的DA转换模块原理图的实施例。
图4是本发明所述的V/I转换模块原理图的实施例。
图5是本发明所述的区域匹配输出模块原理图的实施例。
图6是本发明的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图2所示，一种卫星控制系统陀螺信号源，包括：主控制器模块、DA转换模块、V/I转换模块、区域匹配输出模块和安全隔离模块；
主控制器模块采用AT90CAN128型单片机，该芯片内嵌CAN控制器，并具有丰富的I/O接口，便于与后级DA转换模块进行数据交换与控制。主控制器模块通过CAN总线接收动力学计算机发送的卫星三轴角速度数据和信号源输出控制信号，每个角速度数据按照2字节double型数据，当量0.0001°/s的约定协议进行解算，产生若干DA转换模块的输入数据流DIN和相应的控制信号/CS、LDAC，发送至各DA转换模块，实现DA转换模块的数字量、模拟量转换。同时，将远程控制信号，如输出精度选择信号GAn_SPAN和输出状态控制信号GAn_OFF发送至区域匹配输出模块，实现输出电流范围精度调节和输出状态控制；
DA转换模块如图3所示。选用高精度双极性输出数模转换芯片AD760，匹配芯片AD587提供+10V参考电压，实现±10V高精度模拟电压信号的输出。主控制器模块与芯片AD760间通过控制信号/CS、LDAC和数据流DIN按照一定时序关系以串行方式进行数据交换，将输入数据流DIN转换为-10V～+10V范围内的模拟电压信号，向V/I转换模块输出；
V/I转换模块如图4所示。由于AD760的驱动能力仅有5mA，带载能力有限，因此采用运算放大器LF411运放跟随电路减小输出电阻，后级通过推挽放大电路增强电流输出能力，提高带载能力，使得电流激励信号能够实现范围为-65mA～+65mA的输出，推挽放大电路由电阻R1～R3、运算放大器LF411和三极管组成，运算放大器LF411的输入端连接DA转换模块的输入，运算放大器LF411的输出端连接NPN三极管和PNP三极管的B极，通过电阻R1连接NPN三极管的C极和+15V电压，通过电阻R3连接NPN三极管的E极和PNP三极管的C极，通过电阻R2连接PNP三极管的E极和-15V电压，R1和R2为51KΩ电阻，R3为1.8MΩ电阻。
区域匹配输出模块如图5所示。区域匹配输出模块接收V/I转换模块输出的激励信号GAn_I，通过匹配不同的输出电阻R4、R5，实现不同范围内，输出不同精度的电流激励In。R4为250Ω电阻，R5为45Ω电阻，主控制器模块通过GAn_SPAN信号控制三极管Q1通断状态，操控单刀双掷继电器U1，实现不同匹配电阻R4、R5的选择。通过不同的匹配电阻，陀螺信号源能够实现输出电流小于10mA时，输出精度小于10μA；大于10mA时，输出精度小于20μA的高精度电流激励，此外，区域匹配输出模块接收主控制器模块发送的GAn_OFF信号，控制三极管Q2通断状态操控单刀双掷继电器U2，实现是否对外输出激励电流；每路DA转换模块连接一个V/I转换模块和区域匹配输出模块，形成多路激励输出。
安全隔离模块包括电源隔离模块和信号隔离模块。总输入为+24V电源，通过4个双极性、5W DC/DC电源模块分别产生4路±15V电源，DC/DC电源模块完成电源隔离功能。每路后级+5V电源均由隔离后的+15V电源产生。单片机与动力学计算机间CAN总线通信数据通过双向高速磁偶ADuM1201进行隔离，单片机与每路高精度DA转换模块芯片间数据流和控制信号通过单向高速磁偶ADuM1400和双向高速磁偶ADuM1201进行隔离。目的是将陀螺信号源4路电源和总输入电源隔离开，同时彼此也分别隔离开，控制信号和上星激励信号隔离开，保证信号源控制端出现异常时不会损坏星上陀螺线路盒。
如图6所示，本发明所述的陀螺信号源激励生成流程如下：
(1)主控制器模块初始化，控制完成DA转换模块清零和自校准；
(2)主控制器模块接收动力学计算机模拟的卫星三轴角速度信息，并解算出对应的输出电流值；
(3)将输出电流对应的数字流数据发送给DA转换模块进行DA转换；
(4)经过V/I转换和推挽放大并根据输出电流精度选择相应的输出匹配电阻，产生电流激励In；
(5)远程选择电流输出状态，控制电流激励是否输出；
(6)每32ms动力学计算机更新数据，返回步骤(1)。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种卫星控制系统陀螺信号源，其特征在于，包括：主控制器模块、DA转换模块、V/I转换模块、区域匹配输出模块和安全隔离模块；
主控制器模块采用具有CAN总线通信功能的单片机，通过CAN总线接收动力学计算机发送的卫星三轴角速度数据和信号源输出控制信号，处理产生若干DA转换模块的输入数据流DIN和相应的控制信号/CS、LDAC，分别发送至各DA转换模块；主控制器模块将远程控制信号发送至区域匹配输出模块；远程控制信号包括输出精度选择信号GAn_SPAN和输出状态控制信号GAn_OFF；
各DA转换模块上电后首先进行自校准，采用串行输入的方式，接收主控制器模块发送的各路输入数据流DIN，依据单片机控制信号/CS和LDAC时序关系，将输入数据流DIN转换为模拟电压信号，向V/I转换模块输出；
V/I转换模块通过推挽放大电路将DA转换模块发送的模拟电压信号转换为满足驱动要求的电流激励信号，发送至区域匹配输出模块；
区域匹配输出模块接收主控制器模块发送的输出精度选择信号GAn_SPAN，控制三极管Q1的通断状态，操控单刀双掷继电器U1，实现不同匹配电阻的选择，调节输出电流激励的范围精度；区域匹配输出模块接收主控制器发送的输出状态控制信号GAn_OFF，控制三极管Q2的通断状态，操控单刀双掷继电器U2，实现对是否对外输出电流激励的控制；
安全隔离模块包括电源隔离和信号隔离；电源隔离采用隔离电源，将所述信号源外部电源与内部多路不同的电源隔离开；信号隔离采用单向和双向磁偶，对主控制器模块和DA转换模块的之间的交互信号进行隔离。
2.根据权利要求1所述的一种卫星控制系统陀螺信号源，其特征在于：所述推挽放大电路包括电阻R1～R3、运算放大器LF411和三极管，运算放大器LF411的正向输入端连接DA转换模块的输入端；运算放大器LF411的输出端连接NPN三极管和PNP三极管的B极；运算放大器LF411的输出端通过电阻R1连接NPN三极管的C极和电源正极，通过电阻R3连接NPN三极管的E极和PNP三极管的C极，通过电阻R2连接PNP三极管的E极、电源负极；运算放大器LF411的负向输入端接地。
3.根据权利要求2所述的一种卫星控制系统陀螺信号源，其特征在于：所述主控制器模块对每个卫星三轴角速度数据按照2字节double型数据，当量0.0001°/s的约定协议进行解算。
4.根据权利要求3所述的一种卫星控制系统陀螺信号源，其特征在于：所述DA转换模块输出的模拟电压信号的范围为-10V～+10V。
5.根据权利要求4所述的一种卫星控制系统陀螺信号源，其特征在于：所述V/I转换模块输出的电流激励信号的范围为-65mA～+65mA。
6.根据权利要求1～5中任一项所述卫星控制系统陀螺信号源进行陀螺信号源激励生成的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)主控制器模块初始化，控制DA转换模块清零和自校准；
(2)主控制器模块接收动力学计算机发送的卫星三轴角速度信息，并解算出对应的输出电流值；
(3)将输出电流对应的数字流数据发送给DA转换模块进行DA转换，产生模拟电压信号；
(4)模拟电压信号经过V/I转换模块转换和推挽放大，并根据输出电流精度选择相应的输出匹配电阻，产生电流激励In；
(5)远程选择电流输出状态，控制电流激励是否输出。
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