CN111332504B

CN111332504B - 卫星的低速驱动装置及使用其的快速定位方法

Info

Publication number: CN111332504B
Application number: CN202010172060.7A
Authority: CN
Inventors: 赵良玉; 陶东; 何泽鹏
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2021-08-27
Anticipated expiration: 2040-03-12
Also published as: CN111332504A

Abstract

本发明公开了一种卫星的低速驱动装置及使用其的快速定位方法，在该装置中的光栏圈上，按照特定规律设置有多个能够被零位传感器检测到的缺口，再根据缺口的开设规律设置相应的快速定位方法，从而实现低速驱动装置的快速定位。

Description

卫星的低速驱动装置及使用其的快速定位方法

技术领域

本发明涉及卫星上的低速驱动装置，具体涉及一种卫星的低速驱动装置及使用其的快速定位方法。

背景技术

卫星上的低速驱动装置在首次上电、切换主备份或者出现故障等情况下，需要进行一次找绝对零位，即位置定位操作。目前，在轨卫星中低速驱动装置采用的是在光栏圈上铣出一个缺口。当零位传感器检测到这个缺口时，即找到绝对零位。由于卫星上低速驱动装置旋转比较慢，寻找一次零位最坏情况下需要25分钟以上。因此，如果能够在不额外增加卫星负担的情况下缩短该定位时间，能够为卫星效率的提高提供一定的帮助。

由于上述原因，本发明人对现有的卫星上的低速驱动装置做了深入研究，设计出一种能够解决上述问题的卫星的低速驱动装置及使用其的快速定位方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种卫星的低速驱动装置及使用其的快速定位方法，在该装置中的光栏圈上，按照特定规律设置有多个能够被零位传感器检测到的缺口，再根据缺口的开设规律设置相应的快速定位方法，从而实现低速驱动装置的快速定位，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供一种卫星的低速驱动装置，该低速驱动装置包括光栏圈，在所述光栏圈上开设有多个缺口；所述缺口设置有3～8组，即形成3～8个缺口单元，每个缺口单元都包括1～8个缺口；在每个光栏圈上都指定一个缺口的一个侧边作为绝对零位，当每个缺口单元中缺口数量都不同时，各个缺口的宽度尺寸相同，当每个缺口单元中缺口数量都为1时，各个缺口的宽度尺寸不同，从而使得所述缺口能够被卫星上的零位传感器检测到，获知低速驱动机构的定位角度。、

本发明还提供一种卫星上低速驱动装置的快速定位方法，该快速定位方法中通过转动低速驱动装置，由零位传感器检测低速驱动装置上光栏圈的缺口，并根据缺口情况解算出低速驱动机构的定位角度。

根据本发明提供的卫星的低速驱动装置及使用其的快速定位方法能够在低成本、低能量消耗的情况下缩短卫星上低速驱动装置的定位时间；如果设置4组缺口单元，在最坏情况下，可以只用现有技术中方案的1/4时间完成低速驱动装置的定位操作。

附图说明

图1示出实施例1中光栏圈及其上缺口的示意图；

图2示出实施例1中光栏圈顺时针旋转即正转时，光栏圈与零位传感器信号对应的时序图；

图3示出实施例1中光栏圈逆时针旋转即返转时，光栏圈与零位传感器信号对应的时序图；

图4示出实施例2中光栏圈及其上缺口的示意图；

图5示出实施例2中光栏圈顺时针旋转即正转时，光栏圈与零位传感器信号对应的时序图；

图6示出实施例2中光栏圈逆时针旋转即返转时，光栏圈与零位传感器信号对应的时序图。

附图标号说明：

1-光栏圈

2-缺口

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的卫星低速驱动装置，如图1或者图4中所示，该低速驱动装置包括光栏圈1，在所述光栏圈1上开设有多个缺口2，即开设有一个以上缺口，卫星上的零位传感器能够在低速驱动装置带着光栏圈转动时检测到光栏圈1上的缺口2，从而找到绝对零位。

本申请中通过设置多个缺口2，提高了零位传感器找到绝对零位的速度，缩短了找零时间。

优选地，所述光栏圈1呈圆盘状或者圆环状，所述缺口2位于该光栏圈1的外围位置，更优选地，所述缺口2呈长条状，其长度方向都基本指向所述光栏圈1的圆心位置。

所述零位传感器包括发光二极管和光敏三极管，当所述发光二极管发出的光照射到光敏三极管时，光敏三极管导通，即产生低电平。所述缺口2旋转到与该零位传感器相对的位置处时，即位于零位传感器的正上方或者正下方时，零位传感器输出为低电平，当所述缺口2旋转到其他位置时，零位传感器输出为高电平；当所述零位传感器的电平跳变时，即由高电平跳变到低电平时，或者由低电平跳变到高电平时，缺口刚好进入到零位传感器的捕获范围或者缺口刚好离开零位传感器的捕获范围。

在一个优选的实施方式中，所述缺口2设置有3～8组，即形成3～8个缺口单元，每个缺口单元都包括1～8个缺口，各个缺口单元之间的距离较大。优选地，所述缺口单元设置有4个，每个缺口单元都包括1～4个缺口。优选地，在每个光栏圈1上都指定一个缺口2的一个侧边作为绝对零位，当该侧边经过零位传感器时，能够使得零位传感器的电平跳变。

所述绝对零位是指卫星上的低速驱动装置在做圆周运动时，人为事先定义的一个绝对起始位置，即0度。该位置在光栏圈上可以任意指定，为便于实现和计算，设置为某个位置的缺口的一个侧边为绝对零位。

优选地，当每个缺口单元中缺口数量都不同时，各个缺口的宽度尺寸相同，当每个缺口单元中缺口数量都为1时，各个缺口的宽度尺寸不同。从而方便于零位传感器识别各个缺口单元，从而快速确定绝对零位的具体位置。

优选地，当每个缺口单元中缺口数量都不同时，位于同一个缺口单元内的多个缺口之间的距离较小，以使得每个缺口单元都作为一个整体，相应地，相邻两个缺口单元之间的距离较大，所述多个缺口单元之间彼此沿着圆周方向均匀分布，以使得任何情况下，寻找零位的时间都不会过长。上述距离的大小具体根据光栏圈的尺寸及缺口的尺寸确定，所述缺口单元内的多个缺口之间的距离与多个缺口单元之间的距离之比一般在1:100以下。优选地，在设置有多个缺口的缺口单元中，各个缺口之间间隔为0.2mm～0.5mm，所述缺口的宽度尺寸都为0.4mm～1mm。

优选地，当每个缺口单元中缺口数量都为1时，各个缺口2的宽度尺寸彼此相差至少0.2mm，以便于零位传感器能够通过缺口宽度的不同来识别不同位置的缺口。此时，该低速驱动装置包括计时模块。

在一个优选的实施方式中，所述卫星低速驱动装置还包括存储模块，所述存储模块中存储有每个缺口2与绝对零位之间的夹角角度，即补偿角度，从而使得当零位传感器识别出某个缺口2以后，即可知道当前位置与绝对零位之间的角度差。在所述存储模块中还存储有低速驱动装置的转动角速度ω。

所述存储模块位于具有处理器的低速驱动装置驱动线路的ROM空间，或者位于星载计算机的ROM空间。

所述夹角角度的获得方式为：将高精度光栅编码器和低速驱动装置同轴安装，再通过高精度光栅编码器测算每个缺口单元与绝对零位之间的角度差，最后将测量得到的角度差存储在所述存储模块中。通过该高精度光栅编码器进行测量，能够消除缺口单元加工误差对绝对零位定位的影响。

本申请还提供一种卫星低速驱动装置的快速定位方法，该方法是通过上文所述的卫星的低速驱动装置实现的；

该快速定位方法中通过转动低速驱动装置，由零位传感器检测低速驱动装置上光栏圈的缺口，并根据缺口情况解算出低速驱动机构的定位角度。

实施例1

在光栏圈1上设置4个缺口单元，每个缺口单元中缺口数量都不同时，顺次相邻的4个缺口单元中，第一个缺口单元中设置1个缺口，第二个缺口单元中设置2个缺口，第三个缺口单元中设置3个缺口，第四个缺口单元中设置4个缺口，如图1中所示，相邻两个缺口单元之间间隔角度为90度左右，在设置有多个缺口的缺口单元中，各个缺口之间间隔为0.2mm，所述缺口的宽度尺寸都为0.5mm。

设定上述第一个缺口单元的右侧边作为绝对零位。

在所述存储模块中存储有补偿角a₀、a₁、a₂、a₃、b₀、b₁、b₂、b₃，其中，a₀、a₁、a₂、a₃表示顺时针旋转补偿角，b₀、b₁、b₂、b₃表示逆时针旋转补偿角。

所述顺时针旋转补偿角通过下述步骤获得：

步骤1：顺时针驱动低速驱动装置，使得第一个缺口单元经过零位传感器的位置处，即零位传感器经过0度附近位置，当零位传感器在该缺口单元中检测到上升沿时，记录此处位置的a₀＝0，光栅编码器清零；所述上升沿是指零位传感器的电平由低电平跳变到高电平的跳变点。

步骤2：继续驱动低速驱动装置，使得第二个缺口单元经过零位传感器的位置处，即零位传感器经过90度附近位置，当零位传感器在该缺口单元中检测到第二个上升沿时，记录此时低速驱动装置相对于a₀处的旋转角度为定位补偿角a₁；

步骤3：继续驱动低速驱动装置，使得第三个缺口单元经过零位传感器的位置处，即零位传感器经过180度附近位置，当零位传感器在该缺口单元中检测到第三个上升沿时，记录此时低速驱动装置相对于a₀处的旋转角度为定位补偿角a₂；

步骤4：继续驱动低速驱动装置，使得第四个缺口单元经过零位传感器的位置处，即零位传感器经过270度附近位置，当零位传感器在该缺口单元中检测到第四个上升沿时，记录此时低速驱动装置相对于a₀处的旋转角度为定位补偿角a₃。所述光栏圈顺时针旋转即正转时，光栏圈与零位传感器信号对应的时序图如图2中所示。

所述逆时针旋转补偿角通过下述步骤获得：

步骤1：逆时针驱动低速驱动装置，使得第一个缺口单元经过零位传感器的位置处，即零位传感器经过0度附近位置，当零位传感器在该缺口单元中检测到下降沿时，记录此处位置的b₀＝0，光栅编码器清零；所述下降沿是指零位传感器的电平由高电平跳变到低电平的跳变点。

步骤2：继续驱动低速驱动装置，使得第四个缺口单元经过零位传感器的位置处，即零位传感器经过270度附近位置，当零位传感器在该缺口单元中检测到第四个下降沿时，记录此时低速驱动装置相对于b₀处的旋转角度为定位补偿角b₃；

步骤3：继续驱动低速驱动装置，使得第三个缺口单元经过零位传感器的位置处，即零位传感器经过180度附近位置，当零位传感器在该缺口单元中检测到第三个下降沿时，记录此时低速驱动装置相对于b₀处的旋转角度为定位补偿角b₂；

步骤4：继续驱动低速驱动装置，使得第二个缺口单元经过零位传感器的位置处，即零位传感器经过90度附近位置，当零位传感器在该缺口单元中检测到第二个下降沿时，记录此时低速驱动装置相对于b₀处的旋转角度为定位补偿角b₁。所述光栏圈逆时针旋转即返转时，光栏圈与零位传感器信号对应的时序图如图3中所示。

实施例2

在光栏圈1上设置4个缺口单元，每个缺口单元中缺口数量都是1，即只设置有4个缺口2，顺次相邻的4个缺口中，第一个缺口的宽度尺寸为0.2mm，第二个缺口的宽度尺寸为0.4mm，第三个缺口的宽度尺寸为0.6mm，第四个缺口的宽度尺寸为0.8mm，如图4中所示，相邻两个缺口之间间隔角度为90度左右。在该低速驱动装置中设置计时模块。

设定上述第一个缺口单元的右侧边作为绝对零位。

在所述存储模块中存储有补偿角a₀、a₁、a₂、a₃、b₀、b₁、b₂、b₃，在所述存储模块中还存储有该低速驱动装置的转速信息，其中，a₀、a₁、a₂、a₃表示顺时针旋转补偿角，b₀、b₁、b₂、b₃表示逆时针旋转补偿角。

所述补偿角通过下述步骤获得：

步骤1：顺时针驱动低速驱动装置，使得第一个缺口单元经过零位传感器的位置处，即零位传感器经过0度附近位置，当零位传感器在该缺口单元中检测到上升沿时，记录此处位置的a₀＝0，光栅编码器清零；

步骤2：继续驱动低速驱动装置，当零位传感器检测到第一个下降沿时，记录此时低速驱动装置相对于a₀处的旋转角度为定位补偿角b₁；

当零位传感器检测到第一个上升沿时，记录此时低速驱动装置相对于a₀处的旋转角度为定位补偿角a₁；

当零位传感器检测到二个下降沿时，记录此时低速驱动装置相对于a₀处的旋转角度为定位补偿角b₂；

当零位传感器检测到第二个上升沿时，记录此时低速驱动装置相对于a₀处的旋转角度为定位补偿角a₂；

当零位传感器检测到三个下降沿时，记录此时低速驱动装置相对于a₀处的旋转角度为定位补偿角b₃；

当零位传感器检测到第三个上升沿时，记录此时低速驱动装置相对于a₀处的旋转角度为定位补偿角a₃；

当零位传感器检测到第四个下降沿时，将此时低速驱动装置相对于a₀处的旋转角度减去360度以后作为定位补偿角b₀。

所述光栏圈顺时针旋转即正转时，光栏圈与零位传感器信号对应的时序图如图5中所示；

所述光栏圈逆时针旋转即返转时，光栏圈与零位传感器信号对应的时序图如图6中所示。

实施例3

当低速驱动装置的缺口单元中，每个缺口单元中缺口数量都不同时。

(1)低速驱动装置执行顺时针转动归零命令时采用所述快速定位方法，具体包括如下步骤：

步骤1，判断当前零位传感器是否在缺口单元位置，若零位传感器在缺口单元位置，顺时针旋转低速驱动装置，直至零位传感器与缺口单元脱离，再执行步骤2，若零位传感器不在缺口单元位置，直接执行步骤2；

步骤2，顺时针持续旋转低速驱动装置，零位传感器保持工作，记录零位传感器检测到的上升沿数量；

在零位传感器检测到上升沿后，在低速驱动装置继续转动预设角度的时间段内，若零位传感器再次检测到上升沿，则零位传感器继续检测工作，低速驱动装置继续旋转，

在零位传感器检测到上升沿后，低速驱动装置继续转动预设角度的时间段内，零位传感器未能检测到上升沿，则低速驱动装置停止旋转，读取零位传感器检测到的上升沿数量n；

得到此时低速驱动机构的定位角度为α＝a_(n-1)+θ-θ1

其中，α表示低速驱动机构的定位角度，具体来说是低速驱动装置当前位置零位传感器对应的位置角度，n为读取零位传感器检测到的上升沿数量，当n＝1时，a_(n-1)＝a₀，当n＝2时，a_(n-1)＝a₁，依此类推；θ为理论角，其具体含义是低速驱动装置在转动时根据驱动脉冲计算得到的当前位置的角度，其取值范围是0～360度；θ1为上升沿时的理论角，其具体含义是低速驱动装置在转动到θ度前的最后一个上升沿对应的计算角度，其取值范围是0～360度。

优选地，步骤2中的预设角度为1～3度，该角度大于同一缺口单元中两个相邻缺口之间的弧长对应的角度，更优选为1度。

优选地，零位传感器在缺口单元位置的判断条件为：低速驱动装置旋转预设角度内，零位传感器的电平跳变；

优选地，零位传感器与缺口单元脱离的判断条件为：低速驱动装置旋转预设角度内，零位传感器的电平保持在高电平。

(2)低速驱动装置执行逆时针转动归零命令时采用所述快速定位方法，具体包括如下步骤：

步骤1，判断当前零位传感器是否在缺口单元位置，若零位传感器在缺口单元位置，逆时针旋转低速驱动装置，直至零位传感器与缺口单元脱离，再执行步骤2，若零位传感器不在缺口单元位置，直接执行步骤2；

步骤2，逆时针持续旋转低速驱动装置，零位传感器保持工作，记录零位传感器检测到的下降沿数量；

在零位传感器检测到下降沿后，在低速驱动装置继续转动预定角度的时间段内，若零位传感器再次检测到下降沿，则零位传感器继续检测工作，低速驱动装置继续旋转，

在零位传感器检测到下降沿后，低速驱动装置继续转动预定角度的时间段内，零位传感器未能检测到下降沿，则低速驱动装置停止旋转，读取零位传感器检测到的下降沿数量m；

得到此时低速驱动机构的定位角度为α＝a_(m-1)+θ-θ1

其中，α表示低速驱动机构的定位角度，具体来说是低速驱动装置当前位置零位传感器对应的位置角度，m为读取零位传感器检测到的上升沿数量，当m＝1时，a_(m-1)＝a₀，当m＝2时，a_(m-1)＝a₁，依此类推；θ为理论角，其具体含义是低速驱动装置在转动时根据驱动脉冲计算得到的当前位置的角度，其取值范围是0～360度；θ1为上升沿时的理论角，其具体含义是低速驱动装置在转动到θ度前的最后一个上升沿对应的计算角度，其取值范围是0～360度。

优选地，步骤2中的预定角度为1～3度，优选为1度。

本申请中通过上述方法能够有效缩短低速驱动装置的定位时间，由原来的最坏25分钟左右缩短为6分钟左右。采用了标定补偿算法，消除了由机械加工误差的影响，有效提高了定位精度。

实施例4

当低速驱动装置的缺口单元中，每个缺口单元中缺口数量都为1时。

步骤1，判断当前零位传感器是否在缺口位置，若零位传感器在缺口位置，顺时针旋转低速驱动装置，直至零位传感器与缺口脱离，再执行步骤2，若零位传感器不在缺口位置，直接执行步骤2；

步骤2，顺时针持续旋转低速驱动装置，零位传感器保持工作，持续检测下降沿和上升沿；

在零位传感器检测到下降沿时，计时模块启动工作，当零位传感器检测到上升沿时，计时模块停止工作，低速驱动装置停止转动，计时模块记录的检测到下降沿和检测到上升沿之间的时间间隔为ΔT；

步骤3，通过下式解算出系数x，

|a_x-1-b_x-1|-σ＜ω*ΔT＜|a_x-1-b_x-1|+σ

其中，所述系数x的取值为正整数；当x＝1时，a_x-1＝a₀，b_x-1＝b₀，当n＝2时，a_x-1＝a₁，b_x-1＝b₁，依此类推；

σ为工程参数，须满足

在解算系数x的过程中，σ的具体取值为

得到低速驱动机构的定位角度α＝a_x-1。

优选地，零位传感器在缺口单元位置的判断条件为：低速驱动装置旋转3度的时间段内，零位传感器的电平跳变；

优选地，零位传感器与缺口单元脱离的判断条件为：低速驱动装置旋转3度的时间段内，零位传感器的电平保持在高电平。

步骤1，判断当前零位传感器是否在缺口位置，若零位传感器在缺口位置，逆时针旋转低速驱动装置，直至零位传感器与缺口脱离，再执行步骤2，若零位传感器不在缺口位置，直接执行步骤2；

步骤2，逆时针持续旋转低速驱动装置，零位传感器保持工作，持续检测下降沿和上升沿；

步骤3，通过下式解算出系数x，

|a_x-1-b_x-1|-σ＜ω*ΔT＜|a_x-1-b_x-1|+σ

σ为工程参数，须满足

在解算系数x的过程中，σ的具体取值为

得到低速驱动机构的定位角度α＝b_x-1。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.卫星上低速驱动装置的快速定位方法，其特征在于，

该快速定位方法中通过转动低速驱动装置，由零位传感器检测低速驱动装置上光栏圈的缺口，并根据缺口情况解算出低速驱动机构的定位角度；

当低速驱动装置的缺口单元中，每个缺口单元中缺口数量都不同时，在光栏圈上设置4个缺口单元，顺次相邻的4个缺口单元中，第一个缺口单元中设置1个缺口，第二个缺口单元中设置2个缺口，第三个缺口单元中设置3个缺口，第四个缺口单元中设置4个缺口，设定所述第一个缺口单元的右侧边作为绝对零位；

低速驱动装置执行顺时针转动归零命令时采用所述快速定位方法，具体包括如下步骤：

在零位传感器检测到上升沿后，在低速驱动装置继续转动预定角度的时间段内，若零位传感器再次检测到上升沿，则零位传感器继续检测工作，低速驱动装置继续旋转，

在零位传感器检测到上升沿后，低速驱动装置继续转动预定角度的时间段内，零位传感器未能检测到上升沿，则低速驱动装置停止旋转，读取零位传感器检测到的上升沿数量n；

得到此时低速驱动机构的定位角度为

，

其中，

表示低速驱动机构的定位角度，n为读取零位传感器检测到的上升沿数量，当n=1时，

=a₀，当n=2时，

=a₁，a₀、a₁表示顺时针旋转补偿角，依此类推；

为理论角，其具体含义是低速驱动装置在转动时根据驱动脉冲计算得到的当前位置的角度；

为上升沿时的理论角，其具体含义是低速驱动装置在转动到

度前的最后一个上升沿对应的计算角度。

2.卫星上低速驱动装置的快速定位方法，其特征在于，

低速驱动装置执行逆时针转动归零命令时采用所述快速定位方法，具体包括如下步骤：

得到此时低速驱动机构的定位角度为

，

其中，

表示低速驱动机构的定位角度，m为读取零位传感器检测到的下降沿数量，当m=1时，

=a₀，当m=2时，

=a₁，依此类推；

为理论角；

为下降沿时的理论角。

3.卫星上低速驱动装置的快速定位方法，其特征在于，

当低速驱动装置的缺口单元中，在光栏圈上设置依次相邻的4个缺口单元，每个缺口单元中缺口数量都为1时，第一个缺口的宽度尺寸为0.2mm，第二个缺口的宽度尺寸为0.4mm，第三个缺口的宽度尺寸为0.6mm，第四个缺口的宽度尺寸为0.8mm，设定第一个缺口单元的右侧边作为绝对零位；

在零位传感器检测到下降沿时，计时模块启动工作，当零位传感器检测到上升沿时，计时模块停止工作，低速驱动装置停止转动，计时模块记录的检测到下降沿和检测到上升沿之间的时间间隔为

；

步骤3，通过下式解算出系数x，

其中，所述系数x的取值为正整数；当x=1时，

=a₀，

=b₀，当n=2时，

=a₁，

=b₁，b₀、b₁表示逆时针旋转补偿角，依此类推；

表示转动角速度，为工程参数，须满足

，

得到低速驱动机构的定位角度

。

4.卫星上低速驱动装置的快速定位方法，其特征在于，

；

步骤3，通过下式解算出系数x，

其中，所述系数x的取值为正整数；当x=1时，

=a₀，

=b₀，当n=2时，

=a₁，

=b₁，依此类推；

为工程参数，须满足

，

得到低速驱动机构的定位角度

。