CN110789737A - 一种空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路及其方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路及其方法，所述控制电路包括：主控芯片DSP，所述主控芯片DSP连接双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片，双冗余CAN总线接口电路与双通道位置检测电路，所述双冗余CAN总线接口电路与星上综合电子系统进行信息交互，所述双通道位置检测电路的每个通道位置检测电路连接位置传感器，所述位置传感器连接输出轴，所述输出轴连接减速器，所述减速器连接步进电机，根据解算所得控制量大小输出相应占空比的PWM信号。步进电机通过减速器减速后实现对输出轴控制，当太阳翼基板展开到位后停止PWM输出。本发明的优点是：检测精度高，保证了机构可重复展开、控制精度高、运行平稳、可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路及其方法。
背景技术
随着我国大力发展载人航天、空间站、深空探测等航天事业，航天器技术迅速发展，其构造日趋复杂，功能不断增多，由于其在轨运行时间长且不易更换的特点，作为动力源的太阳翼展开机构已成为航天器的重要组成部分。其入轨后能否顺利展开是衡量航天器发射任务成败的重要指标之一，因此保证太阳翼可靠工作是展开机构的首要要求。
太阳翼展开机构驱动部分为机构的运动提供主动力矩，是机构的核心部分，太阳翼工作是否可靠很大程度上依赖于驱动控制方式的选择。目前常用的太阳翼展开机构驱动方式包括：弹簧驱动、微机电驱动、气压驱动及自伸展驱动。目前工程化的太阳翼展开机构常用弹簧作为主要动力源，提供展开驱动能量。在航天器发射或其他非工作状态时，太阳翼基板收拢于有效载荷舱内，弹簧受预应力储存弹性势能；在航天器工作时，弹簧释放弹性势能使太阳翼基板展开。
目前国内工程化应用的太阳翼展开机构大都采用无源控制，依靠铰链内弹簧的作用驱动太阳翼展开。由于弹簧驱动力不容易控制，展开结束瞬间易产生强烈碰撞，锁定和释放过程平稳性较差、控制精度低，不利于航天器飞行姿态的稳定性控制。另外，通过释放势能而完成展开工作的机构往往不具备收拢作用，仅能实现单次展开固定角度并锁定的功能，不能随航天器的运行实时调整太阳翼基板角度，保证航天器长时间在轨运行的能量供给。
现有的太阳翼展开机构驱动缺点主要表现在以下几方面：
(1)弹簧驱动方式属于无源驱动，由于弹簧的驱动力矩随展开角度的增加而线性下降，为保证在整个展开过程中均满足必要的力矩裕度，必须增加弹簧的初始扭矩，从而使得展开完成时的剩余动能造成过大的锁定冲击载荷。该驱动方式具有展开过程不可控、平稳性差、无法实现重复展开等缺点；
(2)微电机驱动方式属于有源驱动，采用直流或交流电机驱动来实现机构的展开和收拢，驱动过程可控、运行平稳、控制精度高、运动过程可逆。该驱动方式具有消耗星上有限电力资源、电路系统的元器件易失效导致工作异常等缺点；
(3)气压驱动方式一般以柔性薄膜材料制造可充气展开机构，采用驱动充气管和充气导向管联合作用，结构简单、承载力强、可靠性高。该驱动方式具有展开工作不稳定、展开过程缓慢、气密性要求高等缺点；
(4)自伸展驱动方式的太阳翼展开机构整个结构由记忆合金、自适应智能元件等特殊元件或材料制成，可在特定环境中按照设计要求自动释放展开，该驱动方式具有仅适合一次展开、技术尚不成熟等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路，其可保证重复展开，有效地提高可靠性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路，其特征在于，包括：主控芯片DSP，所述主控芯片DSP连接双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片，双冗余CAN总线接口电路与双通道位置检测电路，所述双冗余CAN总线接口电路与星上综合电子系统进行信息交互，所述双通道位置检测电路的每个通道位置检测电路连接位置传感器，所述位置传感器连接输出轴，所述输出轴连接减速器，所述减速器连接步进电机；所述主控芯片DSP通过所述双冗余CAN总线接口电路实现指令接收、应答数据发送，所述主控芯片DSP通过所述双通道位置检测电路实现太阳翼基板位置反馈采集功能和PWM闭环控制量输出功能；所述主控芯片DSP通过所述双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片实现按照主控芯片DSP输出的PWM闭环控制量驱动步进电机按指定方向旋转一定角度的功能。
本发明的另一目的在于提供一种空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路的控制方法，其特征在于，包括：
控制电路上电后完成初始化，开启PWM中断，在中断函数中执行位置反馈采集处理、微动开关控制及状态采集、系统指令信息查询以及闭环或开环控制操作；在PWM中断中定时查询CANA、CANB通信接口的指令数据，当有指令到达时，控制完成对指令数据帧的接收及判别；指令正常时，更新指令返回应答信息并执行相应操作；指令异常时，返回指令异常信息，不执行相应操作；当接收到正确的太阳翼基板展开角度控制指令时，指令标识置位，若位置传感器工作正常，则采用双极恒流双四拍和细分驱动控制算法复合控制策略实现系统闭环，将指令脉冲量与太阳翼基板反馈脉冲量进行比较、校正和细分驱动控制算法处理，根据解算所得控制量大小输出相应占空比的PWM信号；若位置传感器工作异常，则根据微动开关的开闭状态和步进电机的工作特点进行开环控制，输出PWM信号；PWM信号经双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片控制步进电机转动，步进电机通过减速器减速后实现对输出轴控制，当太阳翼基板展开到位后停止PWM输出；若未接收到指令，则循环采集位置传感器信息并判断位置传感器工作状态、采集微动开关状态信息、查询接收指令；
所述控制电路包括：主控芯片DSP，所述主控芯片DSP连接双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片，双冗余CAN总线接口电路与双通道位置检测电路，所述双冗余CAN总线接口电路与星上综合电子系统进行信息交互，所述双通道位置检测电路的每个通道位置检测电路连接位置传感器，所述位置传感器连接输出轴，所述输出轴连接减速器，所述减速器连接步进电机；所述主控芯片DSP通过所述双冗余CAN总线接口电路实现指令接收、应答数据发送，所述主控芯片DSP通过所述双通道位置检测电路实现太阳翼基板位置反馈采集功能和PWM闭环控制量输出功能；所述主控芯片DSP通过所述双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片实现按照主控芯片DSP输出的PWM闭环控制量驱动步进电机按指定方向旋转一定角度的功能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
实现简单，包括：主控芯片DSP，所述主控芯片DSP连接双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片，双冗余CAN总线接口电路与双通道位置检测电路，所述双冗余CAN总线接口电路与星上综合电子系统进行信息交互，所述双通道位置检测电路的每个通道位置检测电路连接位置传感器，所述位置传感器连接输出轴，所述输出轴连接减速器，所述减速器连接步进电机；所述主控芯片DSP通过所述双冗余CAN总线接口电路实现指令接收、应答数据发送，所述主控芯片DSP通过所述双通道位置检测电路实现太阳翼基板位置反馈采集功能和PWM闭环控制量输出功能；所述主控芯片DSP通过所述双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片实现按照主控芯片DSP输出的PWM闭环控制量驱动步进电机按指定方向旋转一定角度的功能。以两相混合式步进电机为动力源，与传统无源太阳翼展开机构相比，可根据航天器的实际运行需要，实现重复平稳展开或收拢至行程内任意角度并锁定的功能，具有高精度、高可靠性运行等优点。在所选用元器件均严格进行降额设计的同时，通信和闭环均进行了双冗余控制设计，即使部分电路故障，系统仍能正常工作。另外，针对控制器外壳的热设计和抗辐射设计进一步保证了元器件工作环境，增加了系统的可靠性。该驱动控制电路有效的保证了机构可重复展开、控制精度高、运行平稳、可靠性高等优点。
附图说明
图1是本发明的空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路的电气原理图；
图2是本发明的双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片的电路图；
图3是本发明的空间有源太阳翼展开机构驱动控制方法流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方案对本发明作进一步详细描述，但这些实施实例仅在于举例说明，并不对本发明的范围进行限定。
请参照图1至图2，本发明的一种空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路，包括：主控芯片DSP，所述主控芯片DSP连接双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片，双冗余CAN总线接口电路与双通道位置检测电路，所述双冗余CAN总线接口电路与星上综合电子系统进行信息交互，所述双通道位置检测电路的每个通道位置检测电路连接位置传感器，所述位置传感器连接输出轴，所述输出轴连接减速器，所述减速器连接步进电机；所述主控芯片DSP通过所述双冗余CAN总线接口电路实现指令接收、应答数据发送，所述主控芯片DSP通过所述双通道位置检测电路实现太阳翼基板位置反馈采集功能和PWM闭环控制量输出功能；所述主控芯片DSP通过所述双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片实现按照主控芯片DSP输出的PWM闭环控制量驱动步进电机按指定方向旋转一定角度的功能。
在一个实施例中，所述主控芯片DSP还连接微动开关控制及模拟量采集电路，所述微动开关控制及模拟量采集电路实现极限位置微动开关控制及开闭状态信息检测。
在一个实施例中，所述主控芯片DSP采用型号为JDSP28335的国产数字信号处理器。
在一个实施例中，所述位置传感器采用旋转变压器。
在一个实施例中，所述双通道位置检测电路采用以轴角转换芯片FX2S1210为核心的检测电路。
在一个实施例中，所述双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片采用型号LHKF2703dD02。
在一个实施例中，所述步进电机采用两相混合式步进电机，整步距角为1.8°。
在一个实施例中，所述减速器采用90的减速比。
在一个实施例中，所述双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片包括双FET功率驱动电路，所述双FET功率驱动电路连接三个光耦隔离器。
本发明的另一目的在于提供一种空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路的控制方法，包括：
控制电路上电后完成初始化，开启PWM中断，在中断函数中执行位置反馈采集处理、微动开关控制及状态采集、系统指令信息查询以及闭环或开环控制操作；在PWM中断中定时查询CANA、CANB通信接口的指令数据，当有指令到达时，控制完成对指令数据帧的接收及判别；指令正常时，更新指令返回应答信息并执行相应操作；指令异常时，返回指令异常信息，不执行相应操作；当接收到正确的太阳翼基板展开角度控制指令时，指令标识置位，若位置传感器工作正常，则采用双极恒流双四拍和细分驱动控制算法复合控制策略实现系统闭环，将指令脉冲量与太阳翼基板反馈脉冲量进行比较、校正和细分驱动控制算法处理，根据解算所得控制量大小输出相应占空比的PWM信号；若位置传感器工作异常，则根据微动开关的开闭状态和步进电机的工作特点进行开环控制，输出PWM信号；PWM信号经双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片控制步进电机转动，步进电机通过减速器减速后实现对输出轴控制，当太阳翼基板展开到位后停止PWM输出；若未接收到指令，则循环采集位置传感器信息并判断位置传感器工作状态、采集微动开关状态信息、查询接收指令；
所述控制电路包括：主控芯片DSP，所述主控芯片DSP连接双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片，双冗余CAN总线接口电路与双通道位置检测电路，所述双冗余CAN总线接口电路与星上综合电子系统进行信息交互，所述双通道位置检测电路的每个通道位置检测电路连接位置传感器，所述位置传感器连接输出轴，所述输出轴连接减速器，所述减速器连接步进电机；所述主控芯片DSP通过所述双冗余CAN总线接口电路实现指令接收、应答数据发送，所述主控芯片DSP通过所述双通道位置检测电路实现太阳翼基板位置反馈采集功能和PWM闭环控制量输出功能；所述主控芯片DSP通过所述双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片实现按照主控芯片DSP输出的PWM闭环控制量驱动步进电机按指定方向旋转一定角度的功能。。
作为具体的实施例，本发明包括：国产JDSP28335型数字信号处理器、双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片、双冗余CAN总线接口电路、双通道位置检测电路、微动开关控制及模拟量采集电路等。其中主控芯片DSP通过双冗余CAN总线接口电路实现指令接收、应答数据发送，依据双通道位置检测电路实现太阳翼基板位置反馈采集功能和PWM闭环控制量输出功能；功率驱动芯片实现按照主控芯片输出的PWM闭环控制量驱动步进电机按指定方向旋转一定角度的功能；微动开关控制及模拟量采集电路实现极限位置微动开关控制及开闭状态信息检测。本发明的驱动控制电路原理框图见图1。双路H桥脉宽调制放大器电路集成度高且具有禁止PWM输出功能，能有效减小控制电路体积及元器件功耗。
作为具体的实施例，本发明采用型号为JDSP28335的国产数字信号处理器，采用双冗余CAN通信接口电路与星上综合电子系统进行信息交互。
作为具体的实施例，本发明以国产旋转变压器作为位置传感器，以国产高精度轴角转换芯片FX2S1210为核心的双通道位置检测电路实时检测太阳翼基板位置信息。
作为具体的实施例，本发明根据反馈位置脉冲量与指令脉冲量进行比较校正，通过双极恒流双四拍和细分控制算法的复合控制策略输出PWM闭环控制量。
作为具体的实施例，本发明PWM闭环控制量经双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片LHKF2703dD02驱动步进电机按指定方向旋转一定角度，步进电机经减速机构带动输出轴旋转，从而达到控制太阳翼基板角度调整的功能。
作为具体的实施例，本发明在两个极限位置安装微动开关，当双通道位置检测电路故障时，可根据微动开关的开闭状态和步进电机的工作特点进行开环控制，保证太阳翼展开机构的正常工作。
请参照图3，本发明的控制方法是：系统上电后完成初始化，开启PWM中断，在中断函数中执行位置反馈采集处理、微动开关控制及状态采集、系统指令信息查询以及闭环或开环控制等操作。软件在PWM中断中定时查询CANA、CANB通信接口的指令数据，当有指令到达时，控制软件完成对指令数据帧的接收及判别。指令正常时，更新指令返回应答信息并执行相应操作；指令异常时，返回指令异常信息，不执行相应操作。当接收到正确的太阳翼基板展开角度控制指令时，指令标识置位，若位置传感器工作正常，则采用双极恒流双四拍和细分驱动控制算法复合控制策略实现系统闭环，将指令脉冲量与太阳翼基板反馈脉冲量进行比较、校正和细分驱动控制算法处理，根据解算所得控制量大小输出相应占空比的PWM信号；若位置传感器工作异常，则根据微动开关的开闭状态和步进电机的工作特点进行开环控制，输出PWM信号。PWM信号经驱动芯片控制电机转动，电机通过减速机构减速后实现对输出轴控制，当太阳翼基板展开到位后停止PWM输出。若未接收到指令，控制软件则循环采集位置传感器信息并判断位置传感器工作状态、采集微动开关状态信息、查询接收指令。
本发明采用两相混合式步进电机为动力源，由于步进电机停转时，具有一定的自锁能力，配合双极恒流双四拍和细分控制算法复合控制策略，有效的保证了系统的运行平稳度、控制精度以及太阳翼基板到位后的锁定可靠性；
本发明采用实时性好、可靠性高和抗干扰能力强的双冗余CAN总线通信，以国产JDSP28335集成的两个eCAN模块作为通信控制器，电路简单、操作方便，保证了太阳翼展开机构与星上综合电子系统通信的可靠性；
本发明采用能适应空间恶劣环境的国产旋转变压器作位置传感器，基于国产高精度轴角转换芯片的双通道位置检测电路实时检测太阳翼基板位置，分辨率最高达16bit，精度优于0.02°，具有分辨率高、位置信息精确等优点；
本发明在极限位置安装微动开关，当双通道位置检测电路异常时，可根据微动开关开闭状态进行系统开环控制，进一步保证系统运行的可靠性；
本发明电路的核心芯片均是国产金属封装产品，产品质量及可靠性更高，对空间环境适应性更好，能够有效降低电子元器件在恶劣空间环境下的失效率。
本发明经试验证明能够实现太阳翼展开机构可重复展开至行程内任意角度的功能，通过双极恒流双四拍和细分驱动控制算法复合控制策略能有效地提高步进电机的运行平稳度和控制精度，保证太阳翼展开机构的高精度和高可靠性运行。该空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路全部选用的国产金属封装元器件，展开机构使用的两相混合式步进电机整步距角为1.8°，结构设计采用了90的减速比，软件上采用4细分驱动控制，步进电机旋转1个微步，太阳翼基板旋转1.8°/4/90＝0.005°，即太阳翼基板角度控制理论上可以达到0.005°的精度。试验结果表明，本发明控制精度高、运行可靠性高、可操作性强、可移植性好。
本发明实现了以下有益的技术效果：
实现简单，包括：主控芯片DSP，所述主控芯片DSP连接双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片，双冗余CAN总线接口电路与双通道位置检测电路，所述双冗余CAN总线接口电路与星上综合电子系统进行信息交互，所述双通道位置检测电路的每个通道位置检测电路连接位置传感器，所述位置传感器连接输出轴，所述输出轴连接减速器，所述减速器连接步进电机；所述主控芯片DSP通过所述双冗余CAN总线接口电路实现指令接收、应答数据发送，所述主控芯片DSP通过所述双通道位置检测电路实现太阳翼基板位置反馈采集功能和PWM闭环控制量输出功能；所述主控芯片DSP通过所述双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片实现按照主控芯片DSP输出的PWM闭环控制量驱动步进电机按指定方向旋转一定角度的功能。以两相混合式步进电机为动力源，与传统无源太阳翼展开机构相比，可根据航天器的实际运行需要，实现重复平稳展开或收拢至行程内任意角度并锁定的功能，具有高精度、高可靠性运行等优点。在所选用元器件均严格进行降额设计的同时，通信和闭环均进行了双冗余控制设计，即使部分电路故障，系统仍能正常工作。另外，针对控制器外壳的热设计和抗辐射设计进一步保证了元器件工作环境，增加了系统的可靠性。该驱动控制电路有效的保证了机构可重复展开、控制精度高、运行平稳、可靠性高等优点。
本发明虽然已选取较好实施例公开如上，但并不用于限定本发明。显然，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。任何本领域研究人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可采用上述公开实施例中的设计方式和内容对本发明的研究方案进行变动和修改，因此，凡是未脱离本发明方案的内容，依据本发明的研究实质对上述实施例所作的任何简单修改，参数变化及修饰，均属于本发明方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路，其特征在于，包括：主控芯片DSP，所述主控芯片DSP连接双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片，双冗余CAN总线接口电路与双通道位置检测电路，所述双冗余CAN总线接口电路与星上综合电子系统进行信息交互，所述双通道位置检测电路的每个通道位置检测电路连接位置传感器，所述位置传感器连接输出轴，所述输出轴连接减速器，所述减速器连接步进电机；所述主控芯片DSP通过所述双冗余CAN总线接口电路实现指令接收、应答数据发送，所述主控芯片DSP通过所述双通道位置检测电路实现太阳翼基板位置反馈采集功能和PWM闭环控制量输出功能；所述主控芯片DSP通过所述双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片实现按照主控芯片DSP输出的PWM闭环控制量驱动步进电机按指定方向旋转一定角度的功能。
2.根据权利要求1所述的空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路，其特征在于，所述主控芯片DSP还连接微动开关控制及模拟量采集电路，所述微动开关控制及模拟量采集电路实现极限位置微动开关控制及开闭状态信息检测。
3.根据权利要求2所述的空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路，其特征在于，所述主控芯片DSP采用型号为JDSP28335的国产数字信号处理器。
4.根据权利要求1所述的空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路，其特征在于，所述位置传感器采用旋转变压器。
5.根据权利要求2所述的空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路，其特征在于，所述双通道位置检测电路采用以轴角转换芯片FX2S1210为核心的检测电路。
6.根据权利要求2所述的空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路，其特征在于，所述双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片采用型号LHKF2703dD02。
7.根据权利要求4所述的空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路，其特征在于，所述步进电机采用两相混合式步进电机，整步距角为1.8°。
8.根据权利要求3所述的空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路，其特征在于，所述减速器采用90的减速比。
9.根据权利要求2所述的空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路，其特征在于，所述双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片包括双FET功率驱动电路，所述双FET功率驱动电路连接三个光耦隔离器。
10.一种空间有源太阳翼展开机构驱动控制电路的控制方法，其特征在于，包括：
控制电路上电后完成初始化，开启PWM中断，在中断函数中执行位置反馈采集处理、微动开关控制及状态采集、系统指令信息查询以及闭环或开环控制操作；在PWM中断中定时查询CANA、CANB通信接口的指令数据，当有指令到达时，控制完成对指令数据帧的接收及判别；指令正常时，更新指令返回应答信息并执行相应操作；指令异常时，返回指令异常信息，不执行相应操作；当接收到正确的太阳翼基板展开角度控制指令时，指令标识置位，若位置传感器工作正常，则采用双极恒流双四拍和细分驱动控制算法复合控制策略实现系统闭环，将指令脉冲量与太阳翼基板反馈脉冲量进行比较、校正和细分驱动控制算法处理，根据解算所得控制量大小输出相应占空比的PWM信号；若位置传感器工作异常，则根据微动开关的开闭状态和步进电机的工作特点进行开环控制，输出PWM信号；PWM信号经双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片控制步进电机转动，步进电机通过减速器减速后实现对输出轴控制，当太阳翼基板展开到位后停止PWM输出；若未接收到指令，则循环采集位置传感器信息并判断位置传感器工作状态、采集微动开关状态信息、查询接收指令；
所述控制电路包括：主控芯片DSP，所述主控芯片DSP连接双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片，双冗余CAN总线接口电路与双通道位置检测电路，所述双冗余CAN总线接口电路与星上综合电子系统进行信息交互，所述双通道位置检测电路的每个通道位置检测电路连接位置传感器，所述位置传感器连接输出轴，所述输出轴连接减速器，所述减速器连接步进电机；所述主控芯片DSP通过所述双冗余CAN总线接口电路实现指令接收、应答数据发送，所述主控芯片DSP通过所述双通道位置检测电路实现太阳翼基板位置反馈采集功能和PWM闭环控制量输出功能；所述主控芯片DSP通过所述双路H桥脉宽调制放大器功率驱动芯片实现按照主控芯片DSP输出的PWM闭环控制量驱动步进电机按指定方向旋转一定角度的功能。
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