CN219392504U - 一种高可靠星载电推机械臂伺服控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及空间电推进技术领域，提供了一种高可靠星载电推机械臂伺服控制器。包括电源隔离及转换模块、RS‑422通信模块和信号处理模块；电源隔离及转换模块提供控制电路所需电源并跟平台电源隔离；RS‑422通信模块与姿轨控计算机连接，用于接收姿轨控计算机的控制指令并反馈数字量遥测信息以供姿轨控计算机实时监测和调整控制；信号处理模块用于对所述机械臂关节机构进行驱动和控制，同时接收机械臂关节机构的角度信息。本实用新型具备四自由度电推机械臂驱动控制能力，机械臂末端指向精度高，实现舱外电推力器方向精准调节；采用步进电机驱动电流的自适应调节和鲁棒性好来解决电机负载突变的电流冲击问题；内部电源与星上母线电源隔离，降低对外干扰。
Description
技术领域
本实用新型涉及空间电推进技术领域，尤其涉及一种高可靠星载电推机械臂伺服控制器。
背景技术
电推进技术在空间推进中应用越来越普遍，电推进系统主要应用于低地球轨道、同步地球轨道和星际任务三个方面，基于电推进的卫星平台能够有效降低发射质量，较大限度提升卫星载荷比，发挥卫星平台承载能力。电推技术对控制系统要求非常高，轨道控制不同方向的耦合、姿态和轨道的控制耦合等问题比传统化推更为复杂困难。电推机械臂各关节选用步进电机，伺服控制器通过控制机械臂肩偏航关节、肘俯仰关节、腕俯仰关节和腕偏航关节的步进电机转动来调节末端电推力器方向，使电推力器推力方向与卫星质心连线位于卫星本体系XbObYb面内。在推进器工作时，机械臂各关节电机负载瞬时变化易造成电机相电流急剧波动；在空间环境中，单粒子效应明显，需要采取可靠性措施防止软件跑飞或数据反转造驱动线路H桥直通烧毁；电推机械臂动作时，高频斩波信号容易干扰周边设备。传统空间机构用步进电机控制器通常无电流闭环控制，负载波动会导致绕组电流冲击超过安全裕度限制，导致电机损坏或故障；仅通过软件设置H桥死区保护时间，存在可靠性不高的问题，影响机构在轨运动寿命；传统空间机构用步进电机控制器所用电源地线跟平台电源地线短接，控制器内部产生的高频信号会通过地线耦合进周边设备形成干扰。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对上述技术问题，提供一种高可靠星载电推机械臂伺服控制器，以解决目前空间机构用步进电机控制器中无电流闭环、仅用软件设置死区时间可靠性不高以及内外电源不隔离导致对外干扰的问题。本实用新型的目的可通过下列技术方案实现：
一种高可靠星载电推机械臂伺服控制器，包括电源隔离及转换模块、RS-422通信模块和信号处理模块；所述RS-422通信模块是所述信号处理模块和姿轨控计算机的中间连接模块，负责接收所述姿轨控计算机的控制指令并反馈数字量遥测信息以供所述姿轨控计算机实时监测和调整；所述电源隔离及转换模块连接所述RS-422通信模块和所述信号处理模块，用于接收星上母线电源并将所述星上母线电源转化为所述电推机械臂伺服控制器各个模块的内部所需电源；所述信号处理模块分别与所述RS-422通信模块和所述机械臂关节机构连接，所述信号处理模块通过所述RS-422通信模块接收所述姿轨控计算机的指令信息，对所述机械臂关节机构进行驱动和控制，同时接收所述机械臂关节机构的角度信息。
具体地，所述信号处理模块包括控制单元、传感器采集和转换单元、自适应电流调节单元和驱动单元。
具体地，所述内部所需电源与所述星上母线电源隔离。
具体地，所述控制单元分别与所述RS-422通信模块、所述自适应电流调节单元和所述驱动单元连接；所述控制单元包括FPGA处理器及外围电路，所述FPGA处理器解算所述控制指令进行位置闭环控制；输出驱动使能信号至所述驱动单元，模拟正弦波输出电机相电流波形信号至所述自适应电流调节单元。
具体地，所述控制单元FPGA处理器采用AX2000-1CQ352M。
具体地，所述自适应电流调节单元通过硬件电路对电机绕组的电流进行闭环控制，限制电流偏差；所述自适应电流调节单元将所述电机相电流波形信号与所述电机绕组的实际电流进行比较，调节后得到PWM脉宽调制波信号并将所述PWM脉宽调制波信号输出至所述驱动单元。
具体地，所述驱动单元包含驱动保护电路，所述驱动单元采用所述驱动芯片和分立器件搭建的H桥电路，使用PWM斩波驱动方式，提供所述机械臂关节机构中的绕组电流驱动所述机械臂关节机构的电机转动。
具体地，所述驱动单元中驱动芯片采用RSDR1010HRH；所述驱动单元根据所述驱动使能信号和所述PWM脉宽调制波信号通过所述硬件电路逻辑比较后产生驱动芯片控制信号，保障H桥上下桥臂死区时间。
具体地，所述传感器采集和转换单元，将所述机械臂关节机构中的各关节角度位置信息连接至所述控制单元，同时将所述机械臂关节机构中各关节电机绕组实际电流转化为电压信号连接至所述自适应电流调节单元。
与现有技术相比，本实用新型存在以下技术效果：
(1)本实用新型提供的高可靠星载电推机械臂伺服控制器具备四自由度电推机械臂驱动控制能力，机械臂末端指向精度高，实现了舱外电推力器方向精准调节。
(2)本实用新型提供的高可靠星载电推机械臂伺服控制器的内部电源跟整星母线电源隔离，降低了对外干扰。
(3)本实用新型提供的高可靠星载电推机械臂伺服控制器的空间用步进电机驱动电流的自适应调节，鲁棒性好，解决了电机负载突变造成的电流冲击问题。
(4)本实用新型提供的高可靠星载电推机械臂伺服控制器通过硬件电路保障H桥死区时间，提高了产品的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍：
图1是本实用新型实施例提供的高可靠星载电推机械臂伺服控制器的原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以作出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
实施例：
以下结合图1对本实用新型提供一种高可靠星载电推机械臂伺服控制器，包括电源隔离及转换模块、RS-422通信模块和信号处理模块；所述RS-422通信模块是所述信号处理模块和姿轨控计算机的中间连接模块，负责接收姿轨控计算机的控制指令并反馈数字量遥测信息以供姿轨控计算机实时监测和调整；电源隔离及转换模块连接RS-422通信模块和信号处理模块，用于接收星上母线电源并将星上母线电源转化为电推机械臂伺服控制器各个模块的内部所需电源，内部所需电源与星上母线电源隔离；信号处理模块分别与RS-422通信模块和机械臂关节机构连接，信号处理模块通过RS-422通信模块接收姿轨控计算机的指令信息，对机械臂关节机构进行驱动和控制，同时接收机械臂关节机构的角度信息。
具体地，信号处理模块包括控制单元、传感器采集和转换单元、自适应电流调节单元和驱动单元。
具体地，电源隔离及转换模块接收星上30V母线电源，将星上30V母线电源转化为电推机械臂伺服控制器各个模块的内部所需电源，内部所需电源与星上母线电源隔离，即通过隔离DC/DC将30V母线电源转换为产品所需30V驱动电源，器件规格为LDCD/(20～50)-28-65/SP；通过二次电源转换DC/DC将28V母线电源转为产品所需+5V、±12V二次电源，器件规格为LDCD/(20～50)-5R-12FSP、LDCD/(20～50)-12-15FD1；通过LDO器件将二次电源转换为产品所需+1.5V、+3.3V三次电源，器件规格为MSK5230-1.5H、MSK5230-3.3H。30V驱动电源地跟二次、三次电源地短接，跟星上30V母线电源地隔离。
具体地，控制单元通过RS-422通信模块与姿轨控计算机进行通讯，控制单元分别连接自适应电流调节单元和驱动单元；控制单元包括FPGA处理器及外围电路，将FPGA处理器作为控制芯片构建控制系统，将四自由度机械臂的位置闭环控制功能集成在一片FPGA芯片上；FPGA处理器解算控制指令进行位置闭环控制；输出驱动使能信号至驱动单元，模拟正弦波输出电机相电流波形信号至自适应电流调节单元。
具体地，控制单元FPGA处理器采用AX2000-1CQ352M。
具体地，自适应电流调节单元通过硬件电路对电机绕组电流进行闭环控制，限制电流偏差；自适应电流调节单元通过D/A芯片AD558TD将控制单元送入的电机相电流波形信号转换为0～5V电压信号，转换后的电机相电流波形信号跟电流采样信号通过电压比较器7F124进行比较，当电流采样信号比转换后的电机相电流波形信号大时，电压比较器输出低电平，当电流采样信号比转换后的电机相电流波形信号小时，电压比较器输出高电平，调节后得到PWM脉宽调制波信号并将PWM脉宽调制波信号输出至驱动单元。
具体地，驱动单元包含驱动保护电路；驱动单元使用芯片RSDR1010HRH驱动后端H桥电路，使能驱动使能信号和PWM调制波信号经过硬件电路逻辑比较后得到驱动芯片控制信号D ISA、D ISB，保证H桥死区时间，逻辑关系如下：若控制H桥上下管的PWM信号和使能信号三者同时为高，DISA、DISB输出高电平，若控制H桥上下管的PWM信号和使能信号三者不同时为高，DISA、DI SB输出低电平。驱动芯片RSDR1010HR根据PWM信号和控制信号DISA、DI SB产生驱动信号控制H桥各桥臂的通断，对外驱动电机绕组，从而控制电机运动。
具体地，传感器采集和转换单元，将机械臂关节机构中的各关节角度位置信息连接至控制单元，使用芯片OSC-15801-110产生激励信号输出至机械臂关节端双通道旋转变压器，使用SD-14553DS-112和SD-14553DS-432Z芯片解码旋转变压器输出的正余弦信号，模数转换后输出角度信息给控制单元参与位置闭环控制；同时将机械臂关节机构中各关节电机绕组实际电流转化为电压信号连接至自适应电流调节单元即使用采样电阻RM6363-4WMB68ZJ对绕组电流进行检测，电流检测电路、运放7F124及反馈电阻构成放大电路将绕组电流信号从0～1A转换为0～5V的电压信号，转换后的电流采样信号输出至自适应电流调节单元。
需要说明的是，上文只是对本实用新型进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本实用新型的任意修改和替换都属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种高可靠星载电推机械臂伺服控制器，其特征在于，包括电源隔离及转换模块、RS-422通信模块和信号处理模块；
所述RS-422通信模块是所述信号处理模块和姿轨控计算机的中间连接模块，负责接收所述姿轨控计算机的控制指令并反馈数字量遥测信息以供所述姿轨控计算机实时监测和调整；
所述电源隔离及转换模块连接所述RS-422通信模块和所述信号处理模块，用于接收星上母线电源，将所述星上母线电源转化为所述电推机械臂伺服控制器各个模块的内部所需电源；
所述信号处理模块分别与所述RS-422通信模块和机械臂关节机构连接，所述信号处理模块通过所述RS-422通信模块接收所述姿轨控计算机的指令信息，经过处理后对所述机械臂关节机构进行驱动和控制，同时接收所述机械臂关节机构的角度信息。
2.如权利要求1所述的高可靠星载电推机械臂伺服控制器，其特征在于，所述信号处理模块包括控制单元、传感器采集和转换单元、自适应电流调节单元和驱动单元。
3.如权利要求1所述的高可靠星载电推机械臂伺服控制器，其特征在于，所述内部所需电源与所述星上母线电源隔离。
4.如权利要求2所述的高可靠星载电推机械臂伺服控制器，其特征在于，所述控制单元分别与所述RS-422通信模块、所述自适应电流调节单元和所述驱动单元连接；
所述控制单元包括FPGA处理器及外围电路，所述FPGA处理器解算所述控制指令进行位置闭环控制；输出驱动使能信号至所述驱动单元，模拟正弦波输出电机相电流波形信号至所述自适应电流调节单元。
5.如权利要求4所述的高可靠星载电推机械臂伺服控制器，其特征在于，所述控制单元的所述FPGA处理器采用AX2000-1CQ352M。
6.如权利要求4所述的高可靠星载电推机械臂伺服控制器，其特征在于，所述自适应电流调节单元通过硬件电路对电机绕组的电流进行闭环控制，限制电流偏差；所述自适应电流调节单元将所述电机相电流波形信号与所述电机绕组的实际电流进行比较，调节后得到PWM脉宽调制波信号并将所述PWM脉宽调制波信号输出至所述驱动单元。
7.如权利要求2所述的高可靠星载电推机械臂伺服控制器，其特征在于，所述驱动单元采用驱动芯片和分立器件搭建的H桥电路，使用PWM斩波驱动方式，提供所述机械臂关节机构中的绕组电流驱动所述机械臂关节机构的电机转动。
8.如权利要求7所述的高可靠星载电推机械臂伺服控制器，其特征在于，所述驱动单元包含驱动保护电路。
9.如权利要求6所述的高可靠星载电推机械臂伺服控制器，其特征在于，所述驱动单元根据所述驱动使能信号和所述PWM脉宽调制波信号通过所述硬件电路逻辑比较后产生驱动芯片控制信号，保障H桥上下桥臂死区时间。
10.如权利要求7所述的高可靠星载电推机械臂伺服控制器，其特征在于，所述传感器采集和转换单元，将所述机械臂关节机构中的各关节角度位置信息连接至所述控制单元，同时将所述机械臂关节机构中各关节电机绕组实际电流转化为电压信号连接至所述自适应电流调节单元。
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Country Status (1)
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2023
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