CN111963335B - 一种涵道风扇恒扭矩输出控制器及控制方法、卫星模拟器 - Google Patents

一种涵道风扇恒扭矩输出控制器及控制方法、卫星模拟器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，包括主控单元、电流采集单元、电压采集单元、AD转换单元、通讯单元、PWM驱动单元和电源管理单元，所述PWM驱动单元包括将TTL信号转换为COMS逻辑电平的电平转换芯片及其外围电路，所述电平转换芯片的输入端连接所述主控单元，输出端连接涵道风扇的电调器；所述电源管理单元包括多个电压转化芯片；所述电流采集单元为线性霍尔元件电流传感器，采集所述电源管理单元与所述PWM驱动单元之间连接线路上的电流信号；所述电压采集单元通过信号放大器芯片采集所述电源管理单元的电压信号并输出到主控芯片。本发明所述的控制器采用功率闭环控制方式，实现了涵道风扇的恒扭矩输出控制。

Description

一种涵道风扇恒扭矩输出控制器及控制方法、卫星模拟器
技术领域
本发明属于航天器地面全物理仿真推力试验、推力器地面模拟仿真技术领域，尤其是涉及一种涵道风扇恒扭矩输出控制器及控制方法。
背景技术
在航天器控制系统的地面全物理仿真试验中，多自由度气浮平台主要是在地面实现重力卸载，提供一个等同于空间失重状态航天器的全物理模拟器，从而为卫星编队飞行、变轨飞行、交会对接、小行星着陆等提供地面试验手段。在模拟试验过程中，广泛应用的动力装置利用工质喷射产生反作用推力，并根据其推力矢量是否通过航天器质心，产生力或者同时产生力和力矩，既能用于姿态控制，又能用于轨道控制的应用，因其显著优点，在航天器轨道与姿态控制中具有不可替代的作用。
常用的星上推进系统有冷气、单组元、双组元和电推进等几种方式。在航天器地面全物理仿真试验系统中，为了能够实现对航天器模拟器位置和姿态的控制，需要配备与星上热化学推进系统等值的推进系统，以满足试验系统要求。由于在地面试验中难以实际采用污染较大、成本很高的星上推进系统，因此需要设计结构简单、排气污染小的低成本的推力器模拟装置。长时间以来，传统地面试验推力器均采用高压冷气推力器形式，但此类推力器存在如下明显的缺陷：
(1)比冲小、耗气量极大，严重影响试验效率。以10N冷气推力器为例，其耗气流量可达1200L/min，而气浮轴承耗气量基本上在120L/min以下，两者相差10倍。某六自由度模拟器姿控平台气瓶总容积9L*3＝27L，供两组常压10N冷气推力器使用。
T＝((25-5)*10*27)/(2*1200)≈2.25min
气瓶为高压氮气瓶，一般情况下25MPa是充气最大限度，气瓶出口一般为5MPa，这样压差为20MPa，27L容积体积对应1个标准大气压约0.1013MPa下，因此气体实际总体积约为(25-5)*10*27L；因此，冷气推力器组是台上气源最大的输出端，由于高压充气过程非常繁琐、准备周期很长，因而严重影响了试验效率。
(2)质心存在较大偏移，引起较大的干扰力矩。
气体工质大量消耗会引起台体质心的较大偏移，由于三轴气浮球轴承对于质心偏移极为敏感，在试验初期均需要进行非常复杂的质心精密调平。但在试验过程中所产生的质心偏移，调平机构无法补偿，因此会产生非常明显的干扰力矩，对试验精度有较大影响。
将涵道风扇安装在航天器地面模拟器上为其提供强大且恒定的推力，可以避免上述高压冷气推力器的缺点。但是，这要求涵道风扇结构紧凑且具有较大的输出扭矩保持能力。一般的涵道风扇扭矩输出以开环控制为主，该控制方式不仅使得扭矩输出的稳定性降低，而且扭矩控制实时性也得不到保障。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种涵道风扇恒扭矩输出控制器及控制方法，实现了涵道风扇的恒扭矩输出控制。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明提供了一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，包括主控单元、电流采集单元、电压采集单元、AD转换单元、通讯单元、PWM驱动单元和电源管理单元，所述主控单元包括主控芯片及其外部集成的复位电路和时钟电路，所述复位电路通过轻触开关完成上电复位和故障复位功能，所述时钟电路采用外部晶振为主控芯片提供时钟信号；所述AD转换单元为所述主控芯片内置的ADC模块；
所述PWM驱动单元包括将TTL信号转换为COMS逻辑电平的电平转换芯片及其外围电路，所述电平转换芯片的输入端连接所述主控单元，输出端连接涵道风扇的电调器；
所述电源管理单元包括多个电压转化芯片，其输入端连接外部电池，输出端连接所述主控单元、PWM驱动单元、电流采集单元、电压采集单元，用于将输入的电池电压转换为所述控制器所需的多种电压；
所述电流采集单元为线性霍尔元件电流传感器，采集所述电源管理单元与所述PWM驱动单元之间连接线路上的电流信号，并通过AD转换单元输出到所述主控芯片；
所述电压采集单元包括信号放大器芯片及其外围电路，通过信号放大器芯片采集所述电源管理单元的电压信号并通过AD转换单元输出到所述主控芯片；所述主控单元通过通讯单元与上位机信号连接。
第二方面，本发明提供了一种涵道风扇恒扭矩输出控制器的控制方法，所述控制方法包括如下内容：
涵道风扇的电流、电压信号分别经电流采集单元和电压采集单元输入到AD转换单元，主控单元对AD转换单元的信号进行处理，转换为实时的功率参数，通过功率闭环调节算法输出相应占空比的PWM信号。通讯单元负责控制器与上位机之间的指令和数据传输，将采集到的涵道风扇运行参数传给上位机显示，并接收上位机下发的启动、停止及输出扭矩值的设定指令，电源管理单元负责对控制器的各个单元供电管理。
第三方面，本发明提供了一种具有模拟推力器的卫星模拟器，所述模拟推力器包括若干具有上述的控制器的涵道风扇，多个所述涵道风扇安装于卫星模拟器的水平范围内的前后左右方向。
相对于现有技术，本发明所述的控制器及控制方法具有以下优势：
(1)本发明的控制器实时获取涵道风扇的电压、电流运行参数，采用功率闭环控制方式，通过PID算法对输出功率进行控制，实现涵道风扇扭矩的稳定输出；同时保证了扭矩控制的实时性；
(2)本发明的控制器实现恒扭矩输出控制，从而涵道推进装置利用电动涵道风扇其叶尖受涵道限制，诱导阻力减小，推力转换效率高，无需消耗气体工质，缩短了充气时间，试验过程中质心不会发生偏离变化，进一步简化了相应的控制问题，提高了试验精度；相关研发生产制造成本约为传统方式方法的20％，大幅节约了试验成本，经济效益显著。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的控制器的结构框图；
图2为本发明实施例所述的主控单元的电路图；
图3为本发明实施例所述的电流采集单元的电路图；
图4为本发明实施例所述的电压采集单元的电路图；
图5为本发明实施例所述的通讯单元的电路图；
图6为本发明实施例所述的PWM驱动单元的电路图；
图7为本发明实施例所述的电源管理单元的电路图；
图8为本发明实施例所述的控制器的主程序流程图；
图9为本发明实施例所述的中断程序流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本提案中的涵道风扇安装于卫星模拟器的水平范围内前后左右方向，等效于冷气喷嘴安装于卫星本体上，作用即模拟卫星姿态调整、轨道转移等控制过程的推力器。
本实施例的一种涵道风扇闭环控制器的组成框图如图1所示，其硬件部分由主控单元、电流采集单元、电压采集单元、AD(Analog to Digital)转换单元、通讯单元、PWM(Pulse Width Modulation)驱动单元和电源管理单元七部分构成，下面结合具体的电路图详细介绍其内部连接关系：
图1为所述控制器电路结构示意图，控制器外部保留了+24V电池供电接口、PWM驱动接口和RS-232通讯接口，控制器内部集成主控单元、电流采集单元、电压采集单元、AD转换单元、通讯单元、PWM驱动单元和电源管理单元。
图2为所述主控单元的电路图，主控单元主要负责控制器的数据处理。主控单元以TMS320F28335(DSP)为控制核心，外部集成复位电路和时钟电路。复位电路通过轻触开关完成上电复位和故障复位功能；时钟电路采用30MHz外部晶振为DSP提高所需时钟信号。AD转换单元为TMS320F28335内置(采样保持)S/H的12位ADC模块，模拟信号输入范围为0V-3V，在25MHz ADC时钟上，采集时速高达80ns。其连接关系为：1为主控单元的主控芯片TMS320F28335，TMS320F28335的VSS引脚接GND，VDD引脚接+1.8V，VDDIO引脚接+3.3V，选用30MHz晶振，晶振的1、2引脚分别接主控芯片的102和104引脚，并采用电容C1、C2进行滤波，容值为22pF；此外，主控芯片的RST引脚和MR引脚需要接+3.3V上拉，上拉电阻R1为4.7K。
图3为所述电流采集单元的电路图，电流采集单元采用ACS758LCB-050B线性霍尔元件电流传感器完成涵道风扇运行电流参数的采集。该电流传感器供电电压为5V，带宽高达120KHz，内部集成放大器和滤波器，信号输出范围为2.5V-5V，经分压处理的信号可直接输入到AD转换单元。具体的，2为电流采集单元的电流采集芯片ACS785LCB，ACS785LCB的1引脚(VCC)接+5V电源，并采用电容C3进行滤波，容值为0.1uF；2引脚(GND)接地；4引脚IP+和5引脚IP-分别接控制器的电流的输入输出，具体的，4引脚IP+连接图1中电池的输出正极，电流经过该ACS785LCB芯片后由IP-输出给控制器需要的供电及调理的电路(按照电池正极使用)，图1中电池输出负极无特殊处理，正常应用；7引脚(VOUT)为电压标准信号输出，通过0Ω的电阻R6与TMS320F28335的A/D转换单元相连。
电压采集单元采用AD822信号预处理芯片完成涵道风扇电压信号的处理。通过对AD822不同阻值电阻的匹配，可以将控制器电池电压信号转换为0V-3V的模拟信号，该信号可直接输入到AD转换单元。图4为所述电压采集单元的电路图，AD822可以将±15V电压转换成0-5V标准信号输入到主控单元。具体连接如下：AD822的1引脚为输出引脚，不仅要通过R8(1K)、R9(2K)进行下拉，并通过阻值为1K的电阻R3进一步限流；2为-INA引脚，通过电阻R9(2K)接地；3引脚为输入引脚，接1K下拉电阻R11，并通过电阻R10(3K)进行限流；4引脚和8引脚接+15V电源。
控制器采用RS-485通讯方式与上位机通讯。通讯单元由MAX485串口芯片和ISO7221隔离芯片组成。MAX3485采用5V供电，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。ISO7221芯片能对信号进行有效隔离，完成电平信号的转换,提高抗干扰能力，有效保证RS-485通讯的稳定性。图5为通讯单元的电路图，4通讯单元采用的隔离芯片ISO7221，ISO7221的1、8引脚间串电阻R17(0Ω)和+3.3V电源，4，5引脚接地，2、3引脚分别接TMS320F28335的SCIA_TX、SCI_RX引脚，6、7引脚接MAX3485芯片的输入。2为通讯单元采用的RS-485控制芯片MAX3485，MAX3485的12、15、16引脚接+3.3V电源，1、14引脚接地，2、4引脚接电容C8(0.1uF)，5、6引脚接滤波电容C10(0.1uF)，3引脚经滤波电容C7(0.1uF)接地，7引脚经滤波电容C11(0.1uF)接地，9、11引脚接ISO7221的6、7引脚，8、13引脚为RS-485的Rx和Tx引脚。
PWM驱动单元：由于DSP输出的PWM信号无法直接驱动涵道风扇的电调器，PWM驱动单元通过MC14504BD芯片完成电平信号的转换。MC14504BD采用十六进制非反向电平转换器，可将TTL信号转换为COMS逻辑电平。图6为PWM驱动单元的电路图，6为PWM驱动单元采用的电平转换芯片MC14504BD，MC14504BD的1、16引脚接+5V电源，9引脚接+15V电源，8引脚接地，2引脚接TMS320F28335的PWM输出引脚，并通过R18(10K)进行下拉，17引脚为PWM输出引脚，通过外接电阻R19(100Ω)进行限流。
电源管理单元：控制器采用电池供电，经电源管理单元转换为±15V、+5V、+3.3V、+1.9V四种电压。其中，电源转换芯片WRA2415S完成电池电压至±15V电压的转换；电源转换芯片K7805芯片完成电池电压至5V电压的转换；电源转换芯片TPS767D301芯片完成+5V电压至3.3V/1.9V电压的转换。图7为电源管理单元的电路图，7为K7805，实现+24V至+5V电源的转换，K7805的1引脚接+24V电源，并通过C14(100uF/25V)滤波，输出为+5V电源，通过C15(10uF/10V)进行滤波。8为WRA2415S，实现+24V至+15V电源的转换，WRA2415S的1、7引脚接地，2引脚接+24V电源，6引脚为输出+15V，8引脚输出-15V，±15V采用电容C17(100uF/25V)、C18(100uF/25V)进行滤波。9为TPS767D301，TPS767D301的1、2引脚经R20(4.7K)接+5V电源，3、4引脚接地，14、15引脚接1.8V输出。
上述控制器的工作过程：
在运行过程中，涵道风扇的电流、电压信号分别经电流采集单元和电压采集单元输入到AD转换单元，主控单元对AD转换单元的信号进行处理，转换为实时的功率参数，通过功率闭环调节算法输出相应占空比的PWM信号。通讯单元负责控制器与上位机之间的指令和数据传输，将采集到的涵道风扇运行参数传给上位机显示，并接收上位机下发的启动、停止及输出扭矩值的设定指令，电源管理单元负责对控制器的各个单元供电管理。
上述控制器的控制方法主要包括主控制程序和中断程序两部分，其中，主控制程序主要实现系统初始化和数据交互的功能；中断程序完成数据的采集、计算与PID算法控制，具体控制流程如下：
图8为主程序流程图，具体步骤如下：
S1：开始。
S2：系统时钟初始化，完成DSP定时器、PWM、ADC和SCI等外设功能的初始化。
S3：判断控制器是否收到控制指令，控制指令主要包括风扇的扭矩设置指令、风扇的启动或停止指令，如果收到则进入S4，否则执行S5。
S4：根据控制指令执行扭矩设置、风扇开启等操作。
S5：判断控制器是否收到查询指令，如果收到执行S6，否则执行S7。
S6：根据查询指令返回当前涵道风扇电压、电流和功率等参数信息。
S7：控制器是否收到结束指令，如果收到执行S8，否则执行S3。
S8：结束，控制器运行结束。
图9为定时器中断流程图，具体步骤如下：
S9：中断开始，进入中断入口函数。
S10：读取AD采样值，并计算当前电压参数。
S11：读取AD采样值，并计算当前电流参数。
S12：根据电压、电流值得到当前输出功率。
S13：根据增量式PID算法计算得到PID输出值。
S14：根据PID输出值计算并输出当前PWM信号。
S15：中断结束，清除中断标志位。
其中，增量式PID算法属于本领域的常规技术，再此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：
包括主控单元、电流采集单元、电压采集单元、AD转换单元、通讯单元、PWM驱动单元和电源管理单元，
所述主控单元包括主控芯片及其外部集成的复位电路和时钟电路，所述复位电路通过轻触开关完成上电复位和故障复位功能，所述时钟电路采用外部晶振为主控芯片提供时钟信号；所述AD转换单元为所述主控芯片内置的ADC模块；
所述PWM驱动单元包括将TTL信号转换为COMS逻辑电平的电平转换芯片及其外围电路，所述电平转换芯片的输入端连接所述主控单元，输出端连接涵道风扇的电调器；
所述电源管理单元包括多个电压转化芯片，其输入端连接外部电池，输出端连接所述主控单元、PWM驱动单元、电流采集单元、电压采集单元，用于将输入的电池电压转换为所述控制器所需的多种电压；所述电流采集单元为线性霍尔元件电流传感器，采集所述电源管理单元与所述PWM驱动单元之间连接线路上的电流信号，并通过AD转换单元输出到所述主控芯片；
所述电压采集单元包括信号放大器芯片及其外围电路，通过信号放大器芯片采集所述电源管理单元的电压信号并通过AD转换单元输出到所述主控芯片；
所述主控单元通过通讯单元与上位机信号连接；
控制方法包括如下步骤：
S1：开始；
S2：系统时钟初始化，完成主控芯片定时器、PWM、ADC和SCI外设功能的初始化；
S3：判断控制器是否收到控制指令，控制指令主要包括风扇的扭矩设置指令、风扇的启动或停止指令，如果收到则进入S4，否则执行S5；
S4：根据控制指令执行扭矩设置、风扇开启；
S5：判断控制器是否收到查询指令，如果收到执行S6，否则执行S7；
S6：根据查询指令返回当前涵道风扇电压、电流和功率参数信息；
S7：控制器是否收到结束指令，如果收到执行S8，否则执行S3；
S8：结束，控制器运行结束；其中，
所述主控芯片的定时器中断处理方法，具体步骤如下：
S9：中断开始，进入中断入口函数；
S10：读取AD采样值，并计算当前电压参数；
S11：读取AD采样值，并计算当前电流参数；
S12：根据电压、电流值得到当前输出功率；
S13：根据增量式PID算法计算得到PID输出值；
S14：根据PID输出值计算并输出当前PWM信号；
S15：中断结束，清除中断标志位。
2.根据权利要求1所述的一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：
所述控制器的外部保留了+24V电池供电接口、PWM驱动接口和RS-232通讯接口，分别连接电源管理单元、PWM驱动单元和通讯单元。
3.根据权利要求1所述的一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：
所述主控单元的主控芯片采用TMS320F28335芯片，TMS320F28335的VSS引脚接GND，VDD引脚接+1.8V，VDDIO引脚接+3.3V，选用30MHz晶振，晶振的1、2引脚分别接主控芯片的102和104引脚，并采用电容C1、C2进行滤波，主控芯片的RST引脚和MR引脚接+3.3V上拉，上拉电阻R1为4.7K。
4.根据权利要求1所述的一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：
所述PWM驱动单元通过MC14504BD芯片完成电平信号的转换，MC14504BD的1、16引脚接+5V电源，9引脚接+15V电源，8引脚接地，2引脚接主控芯片的PWM输出引脚，并通过R18进行下拉，17引脚为PWM输出引脚，通过外接电阻R19进行限流。
5.根据权利要求1所述的一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：
所述电源管理单元采用电池供电，经电源管理单元转换为±15V、+5V、+3.3V、+1.9V四种电压，包括电源转换芯片WRA2415S、电源转换芯片K7805芯片、电源转换芯片TPS767D301，
K7805的1引脚接+24V电源，并通过C14滤波，输出为+5V电源，通过C15进行滤波；WRA2415S的1、7引脚接地，2引脚接+24V电源，6引脚为输出+15V，8引脚输出-15V，±15V采用电容C17、C18进行滤波；TPS767D301的1、2引脚经R20接+5V电源，3、4引脚接地，14、15引脚接1.8V输出。
6.根据权利要求1所述的一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：
所述电流采集单元采用ACS758LCB-050B线性霍尔元件电流传感器，ACS785LCB的1引脚接+5V电源，并采用电容C3进行滤波，2引脚接地；4引脚IP+和5引脚IP-分别接控制器的总的电流的输入输出，7引脚为电压标准信号输出，通过电阻R6与主控芯片的A/D转换单元相连。
7.根据权利要求1所述的一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：
所述电压采集单元采用AD822信号预处理芯片，AD822的1引脚为输出引脚，通过R8、R9进行下拉，并通过电阻R3进一步限流；2引脚通过电阻R9接地；3引脚为输入引脚，接下拉电阻R11，并通过电阻R10进行限流；4引脚和8引脚接+15V电源。
8.根据权利要求1所述的一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：
所述通讯单元由MAX485串口芯片和ISO7221隔离芯片组成，ISO7221的1、8引脚之间串接电阻R17和+3.3V电源，4，5引脚接地，2、3引脚分别接主控芯片的SCIA_TX、SCI_RX引脚，6、7引脚接MAX3485芯片的输入；MAX3485的12、15、16引脚接+3.3V电源，1、14引脚接地，2、4引脚之间接电容C8，5、6引脚之间接滤波电容C10，3引脚经滤波电容C7接地，7引脚经滤波电容C11接地，9、11引脚接ISO7221的6、7引脚，8、13引脚为RS-485的Rx和Tx引脚。
9.一种具有模拟推力器的卫星模拟器，其特征在于：
所述模拟推力器包括若干具有权1至8任一所述的控制器的涵道风扇，多个所述涵道风扇安装于卫星模拟器的水平范围内的前后左右方向。
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