CN115586435A - 一种宇航电机相电流双量程采样电路及快速遥测报警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宇航电机相电流双量程采样电路及快速遥测报警方法，包括ADC采样器、模拟开关、用于输出电机工作电流的第一量程电路和用于输出电机堵转电流的第二量程电路，第一量程电路和第二量程电路的一端均连接到电机的输出端、另一端均连接到模拟开关上，模拟开关的另一端连接到ADC采样器的输入端，ADC采样器的输出端输出电流值；该双量程采样电路及快速遥测报警方法采用两种量程接替采样的方式实现宇航电机的电流检测，使用两个1％精度采样电阻实现了宇航电机全模式工作状态的相电流采样并保证了力矩控制精度，取代了原先高达0.05％的器件选型，提高了工程可实现性并大幅度降低了造价。

Description

一种宇航电机相电流双量程采样电路及快速遥测报警方法

技术领域

本发明涉及宇航电机采样技术领域，尤其涉及一种宇航电机相电流双量程采样电路及快速遥测报警方法。

背景技术

电机相电流采样是电机实现力矩控制的必要手段，其中采样电阻采样法由于其电路结构简单、元器件成本较低的优势被广泛采用，即在驱动电路与电机单相绕组间串接精密采样电阻，对采样电阻两侧电压进行处理得到电机相电流，相电流精度要求一般设定为正常工作电流的1％。

宇航电机由于其应用场景的特殊性不具备可维修性，为保障宇航电机生命周期内都可实现运转，要求设计较大的力矩裕度，通常要求力矩裕度大于10，即电机的堵转电流是启动电流的10倍，约合电机稳定运行电流的20倍。为保障设备的工作可控可观测，电机相电流是宇航系统重要的遥测量，通过定时报送的方式传回地面，以确保设备的安全运行。这就需要相电流采样的范围能够涵盖堵转电流，同时精度能够满足正常电流的采样要求。

宇航电机受能源限制约束，功率一般较小，以某型号光学载荷扫描电机为例，其工作电压28V，正常工作电流20mA，堵转电流480mA，电机电流环控制要求相电流的采样精度为0.2mA，宇航遥测要求每8s报告一次电机相电流，其最大量程为480mA，即采样电阻的精度需小于(0.2mA/480mA＝0.04％)，采样电阻一般为mΩ量级，选用10mΩ阻值则需要采样电阻阻值精度小于0.004mΩ，显然难以实现。

在宇航电机应用中，由于工作电流与堵转电流都需要采样监测，且二者值存在较大差异，采样电阻的选择是在mΩ级电阻中选择精度超0.05％的电阻，这对选用难度及实现经济性都提出了较大的挑战。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种宇航电机相电流双量程采样电路及快速遥测报警方法，采用两种量程接替采样的方式实现宇航电机的电流检测，取代了原先高达0.05％的器件选型，提高了工程可实现性并大幅度降低了造价。

本发明提出的一种宇航电机相电流双量程采样电路及快速遥测报警方法，包括ADC采样器、模拟开关、用于输出电机工作电流的第一量程电路和用于输出电机堵转电流的第二量程电路；

第一量程电路和第二量程电路的一端均连接到电机的输出端、另一端均连接到模拟开关上，模拟开关的另一端连接到ADC采样器的输入端，ADC采样器的输出端输出电流值。

进一步地，所述第一量程电路包括采样电阻Rc1、第一差分放大电路和超限比较电路，采样电阻Rc1的两端分别连接到电机单向绕组两端，第一差分放大电路的输入端与采样电阻Rc1并联设置、输出端连接到模拟开关的常闭端头上，超限比较电路的输入端连接到第一差分放大电路的输出端、输出端连接到模拟开关的控制端头上。

进一步地，所述第一差分放大电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13和放大器N1，电阻R11的一端连接到采样电阻Rc1的一端、另一端连接到放大器N1的负极输入端，电阻R12的一端连接到采样电阻Rc1的另一端、另一端连接到放大器N1的正极输入端，放大器N1的输出端连接到模拟开关的常闭端头上，电阻R13的一端连接到放大器N1的负极输入端、另一端连接到放大器N1的输出端。

进一步地，所述超限比较电路包括放大器N3和放大器N4，放大器N3的负极输入端连接到放大器N1的输出端、正极输入端输入最小电流超限值REF-，放大器N4的正极输入端连接到放大器N1的输出端、负极输入端输入最大电流超限值REF+，放大器N3和放大器N4的输出端均连接到模拟开关的控制端头上。

进一步地，所述第二量程电路包括采样电阻Rc2和第二差分放大电路，采样电阻Rc2的两端分别连接到电机单向绕组两端，第一差分放大电路的输入端与采样电阻Rc2并联设置、输出端连接到模拟开关的常开端头上。

进一步地，所述第二差分放大电路包括电阻R21、电阻R22、电阻R23和放大器N2，电阻R21的一端连接到采样电阻Rc2的一端、另一端连接到放大器N2的负极输入端，电阻R22的一端连接到采样电阻Rc2的另一端、另一端连接到放大器N1的正极输入端，放大器N2的输出端连接到模拟开关的常开端头上，电阻R23的一端连接到放大器N2的负极输入端、另一端连接到放大器N2的输出端，采样电阻Rc1与采样电阻Rc2串联设置。

进一步地，电阻R12的阻值等于电阻R11的阻值与电阻R13阻值的并联值，电阻R22的阻值等于电阻R21的阻值与电阻R23阻值的并联值。

进一步地，采样电阻Rc2的阻值与采样电阻Rc1阻值相同；采样电阻Rc1为1％精度下较小量程范围的电阻，采样电阻Rc2为1％精度下较大量程范围的电阻。

一种宇航电机相电流的快速遥测报警方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过超限比较电路设定第一量程电路的最大电流超限值REF+和最小电流超限值REF-；

正常工作状态下，第一量程电路通过模拟开关与ADC采用器连通，通过ADC采用器采集电机的工作电流；

当第一量程电路中的电流超过最大电流超限值REF+和最小电流超限值REF-组成的范围时，超限比较电路触发模拟开关的控制端头，模拟开关由常闭端头接通到常开端头；

第二量程电路通过模拟开关与ADC采用器连通，通过ADC采用器采集电机的堵转电流，并将接收到堵转电流作为报警信号通过快速遥测通道报回地面。

本发明提供的一种宇航电机相电流双量程采样电路及快速遥测报警方法的优点在于：本发明结构中提供的一种宇航电机相电流双量程采样电路及快速遥测报警方法，采用两种量程接替采样的方式实现宇航电机的电流检测，使用两个1％精度采样电阻(Rc1和Rc2)实现了宇航电机全模式工作状态的相电流采样并保证了力矩控制精度，取代了原先高达0.05％的器件选型，提高了工程可实现性并大幅度降低了造价。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中，1-电机，2-第一量程电路，3-第二量程电路，4-模拟开关，5-ADC采样器。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1所示，本发明提出的一种宇航电机相电流双量程采样电路，包括ADC采样器5、模拟开关4、用于输出电机1工作电流的第一量程电路2和用于输出电机1堵转电流的第二量程电路3；第一量程电路2和第二量程电路3的一端均连接到电机1的输出端、另一端均连接到模拟开关4上，模拟开关4的另一端连接到ADC采样器5的输入端，ADC采样器5的输出端输出电流值。

针对宇航电机量程与精度的矛盾，本实施例采用两种量程接替采样的方式实现宇航电机的电流检测。在启动及正常工作状态选第一量程电路(采样电阻Rc1通道)，在较小量程范围内选用1％精度的电阻Rc1实现相电流采样，在堵转及克服扫膛故障模式下选通第二量程电路(采样电阻Rc2通道)，在较大量程范围内选用1％精度的电阻Rc2实现大电流采样进而实现大力矩输出，其中采样电阻Rc2的阻值与采样电阻Rc1阻值相同，例如Rc1＝Rc2＝10mΩ(精度±0.1mΩ)，将采样电阻Rc1与采样电阻Rc2设置成电阻值一致时，可以选择同一批次的电阻，不仅经济，而且同一批次电阻的工艺状态和热效应是一致的，避免了不同批次电阻因自身热效应不同所造成的阻值偏移，提高了第一量程电路2和二量程电路3对应的采样电阻的一致性。

通过两种量程接替采样方式，使用两个1％精度采样电阻(Rc1和Rc2)实现了宇航电机全模式工作状态的相电流采样并保证了力矩控制精度，取代了原先高达0.05％的器件选型，提高了工程可实现性并大幅度降低了造价。

在本实施例中，第一量程电路2包括采样电阻Rc1、第一差分放大电路和超限比较电路，采样电阻Rc1的两端分别连接到电机1单向绕组两端，第一差分放大电路的输入端与采样电阻Rc1并联设置、输出端连接到模拟开关4的常闭端头上，超限比较电路的输入端连接到第一差分放大电路的输出端、输出端连接到模拟开关4的控制端头上。超限比较电路用于对第一量程电路2的电流进行限制，设置最大电流超限值和最小电流超限值，同时将超过该超限值的超限限号本身构成快速遥测的报警信号，方便地面了解宇航电机的工作状态以及故障模式。

第一差分放大电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13和放大器N1，电阻R11的一端连接到采样电阻Rc1的一端、另一端连接到放大器N1的负极输入端，电阻R12的一端连接到采样电阻Rc1的另一端、另一端连接到放大器N1的正极输入端，放大器N1的输出端连接到模拟开关4的常闭端头上，电阻R13的一端连接到放大器N1的负极输入端、另一端连接到放大器N1的输出端。电阻R12的阻值等于电阻R11的阻值与电阻R13阻值的并联值，使得放大器N1在静态工作点工作，使得正负端负载匹配，第一差分放大电路的放大倍数为电阻R13阻值与电阻R11阻值的比值，推荐选择倍数为10000。

超限比较电路包括放大器N3和放大器N4，放大器N3的负极输入端连接到放大器N1的输出端、正极输入端输入最小电流超限值REF-，放大器N4的正极输入端连接到放大器N1的输出端、负极输入端输入最大电流超限值REF+，放大器N3和放大器N4的输出端均连接到模拟开关4的控制端头上。当第一量程电路超过最小电流超限值REF-和最大电流超限值REF+组成的电流范围时，第一量程电路2触动模拟开关4，模拟开关4由第一量程电路2连通到第二量程电路3上，使得第二量程电路3与ADC采样器5连接，以进行堵转电流的采样。

第二量程电路3包括采样电阻Rc2和第二差分放大电路，采样电阻Rc2的两端分别连接到电机1单向绕组两端，第一差分放大电路的输入端与采样电阻Rc2并联设置、输出端连接到模拟开关4的常开端头上。第二差分放大电路包括电阻R21、电阻R22、电阻R23和放大器N2，电阻R21的一端连接到采样电阻Rc2的一端、另一端连接到放大器N2的负极输入端，电阻R22的一端连接到采样电阻Rc2的另一端、另一端连接到放大器N1的正极输入端，放大器N2的输出端连接到模拟开关4的常开端头上，电阻R23的一端连接到放大器N2的负极输入端、另一端连接到放大器N2的输出端，采样电阻Rc1与采样电阻Rc2串联设置。电阻R22的阻值等于电阻R21的阻值与电阻R23阻值的并联值，使得放大器N2在静态工作点工作，使得正负端负载匹配，第二差分放大电路的放大倍数为电阻R23阻值与电阻R21阻值的比值，推荐选择倍数为25。

以上通过第一差分放大电路和第二差分电路31分别对工作电流和堵转电流进行不同程度的放大，便于ADC采样器对放大后的电流进行采集，避免了电流未放大前由于电流值过小，造成ADC采样器难以采样的缺陷。

采用该宇航电机相电流双量程采样电路可以实现地面的快速遥测报警，具体为：

一种宇航电机相电流的快速遥测报警方法，包括如下步骤：

S1：通过超限比较电路设定第一量程电路2的最大电流超限值REF+和最小电流超限值REF-；

S2：正常工作状态下，第一量程电路2通过模拟开关4与ADC采用器连通，通过ADC采用器采集电机1的工作电流；

S3：当第一量程电路2中的电流超过最大电流超限值REF+和最小电流超限值REF-组成的范围时，超限比较电路触发模拟开关4的控制端头，模拟开关4由常闭端头接通到常开端头；

S4：第二量程电路3通过模拟开关4与ADC采用器连通，通过ADC采用器采集电机1的堵转电流，并将接收到堵转电流作为报警信号通过快速遥测通道报回地面。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种宇航电机相电流双量程采样电路，其特征在于，包括ADC采样器(5)、模拟开关(4)、用于输出电机(1)工作电流的第一量程电路(2)和用于输出电机(1)堵转电流的第二量程电路(3)；

第一量程电路(2)和第二量程电路(3)的一端均连接到电机(1)的输出端、另一端均连接到模拟开关(4)上，模拟开关(4)的另一端连接到ADC采样器(5)的输入端，ADC采样器(5)的输出端输出电流值。

2.根据权利要求1所述的宇航电机相电流双量程采样电路，其特征在于，所述第一量程电路(2)包括采样电阻Rc1、第一差分放大电路和超限比较电路，采样电阻Rc1的两端分别连接到电机(1)单向绕组两端，第一差分放大电路的输入端与采样电阻Rc1并联设置、输出端连接到模拟开关(4)的常闭端头上，超限比较电路的输入端连接到第一差分放大电路的输出端、输出端连接到模拟开关(4)的控制端头上。

3.根据权利要求2所述的宇航电机相电流双量程采样电路，其特征在于，所述第一差分放大电路包括电阻R11、电阻R12、电阻R13和放大器N1，电阻R11的一端连接到采样电阻Rc1的一端、另一端连接到放大器N1的负极输入端，电阻R12的一端连接到采样电阻Rc1的另一端、另一端连接到放大器N1的正极输入端，放大器N1的输出端连接到模拟开关(4)的常闭端头上，电阻R13的一端连接到放大器N1的负极输入端、另一端连接到放大器N1的输出端。

4.根据权利要求3所述的宇航电机相电流双量程采样电路，其特征在于，所述超限比较电路包括放大器N3和放大器N4，放大器N3的负极输入端连接到放大器N1的输出端、正极输入端输入最小电流超限值REF-，放大器N4的正极输入端连接到放大器N1的输出端、负极输入端输入最大电流超限值REF+，放大器N3和放大器N4的输出端均连接到模拟开关(4)的控制端头上。

5.根据权利要求3所述的宇航电机相电流双量程采样电路，其特征在于，所述第二量程电路(3)包括采样电阻Rc2和第二差分放大电路，采样电阻Rc2的两端分别连接到电机(1)单向绕组两端，第一差分放大电路的输入端与采样电阻Rc2并联设置、输出端连接到模拟开关(4)的常开端头上。

6.根据权利要求5所述的宇航电机相电流双量程采样电路，其特征在于，所述第二差分放大电路包括电阻R21、电阻R22、电阻R23和放大器N2，电阻R21的一端连接到采样电阻Rc2的一端、另一端连接到放大器N2的负极输入端，电阻R22的一端连接到采样电阻Rc2的另一端、另一端连接到放大器N1的正极输入端，放大器N2的输出端连接到模拟开关(4)的常开端头上，电阻R23的一端连接到放大器N2的负极输入端、另一端连接到放大器N2的输出端，采样电阻Rc1与采样电阻Rc2串联设置。

7.根据权利要求5所述的宇航电机相电流双量程采样电路，其特征在于，电阻R12的阻值等于电阻R11的阻值与电阻R13阻值的并联值，电阻R22的阻值等于电阻R21的阻值与电阻R23阻值的并联值。

8.根据权利要求1-7任一所述的宇航电机相电流双量程采样电路，其特征在于，采样电阻Rc2的阻值与采样电阻Rc1阻值相同；

采样电阻Rc1为1％精度下较小量程范围的电阻，采样电阻Rc2为1％精度下较大量程范围的电阻。

9.根据权利要求1所述的宇航电机(1)相电流的快速遥测报警方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过超限比较电路设定第一量程电路(2)的最大电流超限值REF+和最小电流超限值REF-；

正常工作状态下，第一量程电路(2)通过模拟开关(4)与ADC采用器连通，通过ADC采用器采集电机(1)的工作电流；

当第一量程电路(2)中的电流超过最大电流超限值REF+和最小电流超限值REF-组成的范围时，超限比较电路触发模拟开关(4)的控制端头，模拟开关(4)由常闭端头接通到常开端头；

第二量程电路(3)通过模拟开关(4)与ADC采用器连通，通过ADC采用器采集电机(1)的堵转电流，并将接收到堵转电流作为报警信号通过快速遥测通道报回地面。

Images