CN220137593U - 一种磁力矩器恒流驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种磁力矩器恒流驱动电路，包括：控制电路、激励输出电路、压控恒流源电路和电流反馈电路；其中，所述控制电路将电压数字量输出给所述激励输出电路；所述激励输出电路用于将电压数字量转换为模拟电压信号，并将其输出给所述压控恒流源电路；所述压控恒流源电路用于接收模拟电压信号，将其转换为恒定的电流，并向磁力矩器输出；所述电流反馈电路用于对输出给磁力矩器的输出电流进行采样，并反馈给所述控制电路，以使所述控制电路调节输出的电压数字量。该恒流驱动电路能够实现对磁力矩器的高精度恒流驱动。

Description

一种磁力矩器恒流驱动电路

技术领域

本实用新型涉及飞行器领域，具体涉及一种磁力矩器恒流驱动电路。

背景技术

空间飞行器上的反作用飞轮在转速饱和时，通常需要磁力矩器对飞轮进行卸载。磁力矩器的驱动电路为磁力矩器的线圈提供电流以产生磁场，与地磁场形成相互作用的磁力矩。磁力矩器的驱动电路通常采用H桥的PWM驱动方式，但是该方式产生的电流不连续，导致磁力矩器产生的磁矩也随着电流波动，影响了控制系统的精度。

为了向磁力矩器的线圈提供恒定电流，避免影响控制系统的精度，设计一种磁力矩器恒流驱动电路显得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种磁力矩器恒流驱动电路。

本实用新型提供一种磁力矩器恒流驱动电路，包括：控制电路、激励输出电路、压控恒流源电路和电流反馈电路；其中，所述控制电路将电压数字量输出给所述激励输出电路；所述激励输出电路用于将电压数字量转换为模拟电压信号，并将其输出给所述压控恒流源电路；所述压控恒流源电路用于接收模拟电压信号，将其转换为恒定的电流，并向磁力矩器输出；所述电流反馈电路用于对输出给磁力矩器的输出电流进行采样，并反馈给所述控制电路，以使所述控制电路判断是否调节输出的电压数字量。

根据本实用新型的一个实施例，所述控制电路采用MCU或FPGA作为运算单元，根据磁力矩器所需电流输出电压数字量，并处理所述电流反馈电路反馈的磁力矩器输出电流对输出的电压数字量进行调节。

根据本实用新型的一个实施例，所述激励输出电路包括D/A转换芯片、电源和幅值调理电路；其中，所述D/A转换芯片与所述控制电路和所述幅值调理电路串联，以接收所述控制电路输出的电压数字量，将其转换为模拟电压信号，并输出给所述幅值调理电路；所述幅值调理电路用于对所述D/A转换芯片输出的模拟电压信号进行调理，并输出给所述压控恒流源电路；所述电源用于向所述D/A转换芯片和所述幅值调理电路提供电压。

根据本实用新型的一个实施例，所述D/A转换芯片具有SPI输入接口；所述激励输出电路通过SPI接口接收所述控制电路输出的电压数字量。

根据本实用新型的一个实施例，所述幅值调理电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器采用轨对轨运算放大器。

根据本实用新型的一个实施例，包括电压控制恒流源，通过稳定电压控制向磁力矩器输出稳定的电流。

根据本实用新型的一个实施例，所述电压控制恒流源包括反相并联的第二运算放大器和第三运算放大器，以对模拟电压信号进行功率放大，并输出双向恒定的电流到磁力矩器。

根据本实用新型的一个实施例，所述第二运算放大器和所述第三运算放大器采用功率运算放大器。

根据本实用新型的一个实施例，所述压控恒流源电路还包括与磁力矩器并联的两个反向串联的泄放二极管，以对反向电动势进行泄放。

根据本实用新型的一个实施例，所述电流反馈电路包括Δ-Σ数模转换芯片和与其并联的采样电阻；所述采样电阻与磁力矩器串联；所述Δ-Σ数模转换芯片用于测量所述采样电阻两端的差分电压，并通过所述采样电阻的阻值和差分电压的压差计算输出给磁力矩器的输出电流，并将电流数据传输至所述控制电路。

本实用新型的磁力矩器恒流驱动电路，通过电流反馈电路构成闭环，并通过压控恒流源电路为磁力矩器输出恒定的驱动电流，实现了对磁力矩器的高精度恒流驱动。本申请的磁力矩器恒流驱动电路，解决了由于电流不连续导致磁力矩器产生的磁矩随着电流波动，影响控制系统精度的问题。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本实用新型所欲主张的范围。

附图说明

下面的附图是本实用新型的说明书的一部分，其绘示了本实用新型的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明实用新型的原理。

图1是本实用新型一个实施例的磁力矩器恒流驱动电路框图；

图2是本实用新型一个实施例的磁力矩器恒流驱动电路的原理图；

图3是本实用新型一个实施例的幅值调理电路原理图；

图4是本实用新型一个实施例的电压控制恒流源电路原理图；

图5是本实用新型一个实施例的磁力矩器恒流驱动电路的电流输出图；

图6是本实用新型一个实施例的压控恒流源电路电流输出范围对应的误差变化曲线图。

附图标记说明：

1-控制电路，2-激励输出电路，3-压控恒流源电路，4-磁力矩器，5-电流反馈电路，21-D/A转换芯片；22-电源；23-幅值调理电路；31-电压控制恒流源；51-Δ-Σ数模转换芯片；52-采样电阻，D1-泄放二极管，U1-第一运算放大器，U2-第二运算放大器，U3-第三运算放大器。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本实用新型，用于示例性的说明本实用新型的原理，并不被配置为限定本实用新型。另外，附图中的机构件不一定是按照比例绘制的。例如，可能对于其他结构件或区域而放大了附图中的一些结构件或区域的尺寸，以帮助对本实用新型实施例的理解。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本实用新型实施例的具体结构进行限定。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外术语“包括”、“包含”“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素结构件或组件不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出或固有的属于结构件、组件上的其他机构件。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并非特别指称次序或顺位的意思，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。

对于本领域技术人员来说，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型更好的理解。

图1是本实用新型一个实施例的磁力矩器恒流驱动电路框图；图2是本实用新型一个实施例的磁力矩器恒流驱动电路的原理图；图3是本实用新型一个实施例的幅值调理电路原理图；图4是本实用新型一个实施例的电压控制恒流源电路原理图；图5是本实用新型一个实施例的磁力矩器恒流驱动电路的电流输出图；图6是本实用新型一个实施例的压控恒流源电路电流输出范围对应的误差变化曲线图。

如图1和2所示，本实用新型提供一种磁力矩器恒流驱动电路，包括：控制电路1、激励输出电路2、压控恒流源电路3和电流反馈电路5。其中，控制电路1将电压数字量输出给激励输出电路2。激励输出电路2用于将电压数字量转换为模拟电压信号，并将其输出给压控恒流源电路3。压控恒流源电路3用于将模拟电压信号转换为恒定的电流，并向磁力矩器4输出。电流反馈电路5用于对输出给磁力矩器4的输出电流进行采样，并反馈给控制电路1，以使控制电路1调节输出的电压数字量。

在本实施例中，控制电路可以根据磁力矩磁场电流大小计算压控恒流源的输入电压，并通过数字信号的形式输出给激励输出电路。激励输出电路将控制电路的电压数字量转换为模拟电压信号，并作为压控恒流源电路的电压输入提供给压控恒流源电路。压控恒流源电路接收激励输出电路输出的控制电压，实现了向磁力矩器电路电流的恒定输出。电流反馈电路将采集信号反馈给控制电路，控制电路根据电流反馈对其实际向激励输出电路输出的电压数字量进行调节，并通过激励输出电路转换为模拟电压输出给压控恒流源电路，以修正恒流驱动电路的输出电流，进一步提高了磁力矩器输出电流的精度。该恒流驱动电路通过电流反馈电路构成闭环，并通过压控恒流源电路为磁力矩器输出恒定的驱动电流，实现了对磁力矩器的高精度恒流驱动。

根据本实用新型的一个实施例，控制电路可以进行数字运算，以对向磁力矩器输出的电流和时间进行控制。

根据本实用新型的一个实施例，控制电路1采用MCU或FPGA作为运算单元，根据磁力矩器所需电流输出电压数字量，并处理所述电流反馈电路反馈的磁力矩器输出电流对输出的电压数字量进行调节。

在本实施例中，控制电路可以采用MCU或FPGA等嵌入式处理器作为核心。控制器的嵌入式软件可以根据磁力矩器所需要的电流大小和方向，并通过与电流反馈电路的电流反馈进行比较，得到经过闭环后的电压数字控制量，并向激励输出电路输出控制电压数字量(如12位分辨率的数字量)。

根据本实用新型的一个实施例，激励输出电路2包括D/A转换芯片21、电源22和幅值调理电路23。其中，D/A转换芯片21与控制电路1和幅值调理电路23串联，以接收控制电路1输出的电压数字量，将其转换为模拟电压信号，并输出给幅值调理电路23。幅值调理电路23用于对D/A转换芯片21输出的模拟电压信号进行调理，并输出给压控恒流源电路3。电源22用于向D/A转换芯片21和幅值调理电路23提供电压。

在本实施例中，D/A转换芯片可以选用12位分辨率的数模转换器，将数字电压信号转换位模拟电压信号。电源输出+2.5V的参考电压，D/A转换芯片的电压信号输出范围为0～5V。2.5V参考电压为低漂移的电压基准，输出电压精度为0.1％，为幅值调理电路提供+2.5V电压的参考电平。

根据本实用新型的一个实施例，D/A转换芯片21具有SPI输入接口，激励输出电路2通过SPI接口接收控制电路1输出的电压数字量。

本实施例的控制电路可以通过SPI接口将电压数字量输出给激励输出电路，激励输出电路通过SPI接口接收电压数字量，并转换为模拟电压信号。D/A转换芯片21还包括电压输出接口。

如图3所示，根据本实用新型的一个实施例，幅值调理电路23包括第一运算放大器U1，第一运算放大器U1采用轨对轨运算放大器。

在本实施例中，幅值调理电路采用轨对轨运算放大器作为减法器，对D/A转换芯片输出的电压信号进行调理。

如图4所示，根据本实用新型的一个实施例，压控恒流源电路3包括电压控制恒流源31，通过稳定电压控制向磁力矩器输出稳定的电流。

根据本实用新型的一个实施例，电压控制恒流源31包括反相并联的第二运算放大器U2和第三运算放大器U3，以对模拟电压信号进行功率放大，并输出双向恒定的电流到磁力矩器。

在本实施例中，反相并联的第二运算放大器U2和第三运算放大器U3组成电压控制恒流源31。第二运算放大器U2和第三运算放大器U3可以为双电源、大电流输出的高频率运算放大器。控制电路根据磁力矩器所需电流大小和方向，通过激励输出电路向压控恒流源提供模拟电压输入。压控恒流源电路利用高功率运算放大器搭建电压/电流转换电路，将模拟电压输入转换为恒定的电流。其中高功率运算放大器的电源输入可以为双向电源输入，保证了提供给磁力矩器的输出电流可以为负电流。本恒流驱动电路，通过控制电路和激励输出电路调制双向电压，并向压控恒流源电路输入，能够实现对磁力矩器的高精度、双向电流(或电源)输出，即通过控制电路能够调节磁力矩器输出电流的大小和方向，实现磁力矩器的恒流驱动。采用两个运算放大器组成电流源，具有高输入阻抗，且能够消除反馈电流。如图5和6所示，以压控恒流源电路的输出范围为-100mA～+100mA为例，其输出最大误差为0.025％，绝对值为0.01mA。

根据本实用新型的一个实施例，第二运算放大器U2和第三运算放大器U3采用功率运算放大器。

根据本实用新型的一个实施例，除反相并联的第二运算放大器U2和第三运算放大器U3外，压控恒流源电路3还包括与磁力矩器4并联的泄放二极管D1，以对反向电动势进行泄放。

在本实施例中，将泄放二极管并联在磁力矩器的输出上，可以泄放掉磁力矩器关断时刻产生的反电动势。

根据本实用新型的一个实施例，除反相并联的第二运算放大器U2和第三运算放大器U3外，压控恒流源电路3还包括与磁力矩器4并联的两个反向串联的泄放二极管D1，以对反向电动势进行泄放。

根据本实用新型的一个实施例，电流反馈电路5包括Δ-Σ数模转换芯片51和与其并联的采样电阻52。采样电阻52与磁力矩器4串联。Δ-Σ数模转换芯片51用于测量采样电阻52两端的差分电压，并通过采样电阻52的阻值和差分电压的压差计算输出给磁力矩器4的输出电流，并将电流数据传输至控制电路1。

在本实施例中，电流反馈电路利用Δ-Σ数模转换芯片/delta-sigmaADC测量采样电阻两端的差分电压，通过采样电阻的阻值和差分电压的压差，计算输出给磁力矩器的输出电流。电流反馈电路利用采样电阻和Δ-Σ数模转换芯片实现了对磁力矩器输出电流的高精度采样，获得磁力矩器实际输出电流，并反馈给控制电路，形成闭环，进一步提高了磁力矩器输出电流的精度。Δ-Σ数模转换芯片可以选用双输入电压、基于分流电阻器的电流感应测量芯片。

以电源22提供+2.5V的参考电压为例，幅值调理电路将D/A转换芯片输出的电压信号由0-5V调理成-2.5V～+2.5V。激励输出电路的模拟电压输出V_OUT与控制电路提供的电压数字量V_MCU之间的关系为：其中，R_F＝R₁，R₃＝R₄，可得V_OUT＝V_MCU-2.5V。压控恒流源电路的输出电流I_load与输入电压(即激励输出电路的模拟电压输出V_OUT)之间的关系为：/>其中，/>(R₁＝R₂，R₃＝R₄)。取R₁，R₂，R₃，R₄为10kΩ；取R_s为20Ω，可得/>Δ-Σ数模转换芯片向控制电路提供10MHz时钟，并通过串行数据将16位分辨率的电流数据传回给控制电路。由于Δ-Σ数模转换芯片的电压输入范围±50mV、磁力矩器的电流输出范围±100mA，因此采样电阻可以选用阻值未500mΩ以下的低电感、低TCR、低热EMF的功率电阻，如WSL3637系列。

根据本实用新型的一个实施例，控制电路连接D/A转换芯片的输入端，D/A转换芯片的输出端连接第一功率运算U1放大器的同相输入端，第一运算放大器U1输出端连接其反相输入端。第一运算放大器U1输出端分别连接第二运算放大器U2的同相输入端和第三运算放大器U3的输出端，第二运算放大器U2的反相输入端连接地线，并与其输出端连接。第二运算放大器U2的输出端连接第三运算放大器U3的同相输入端，第三运算放大器U3的反相输入端连接其输出端。第二运算放大器U2的输出端连接磁力矩器，磁力矩器连接采样电阻，采样电阻连接地线。第二运算放大器U2的输出端连接一个泄放二极管的正极，该泄放二极管的负极连接另一个泄放二极管的负极，通过采样电阻连接地线，两个泄放二极管与磁力矩器并联。采样电阻与Δ-Σ数模转换芯片并联。Δ-Σ数模转换芯片的输出端与控制电路连接。

在本实施例中，各元器件之间可以串联一个或多个适宜阻值的电阻。例如，D/A转换芯片与第一运算放大器之间，第一运算放大器和第二运算放大器之间，第一运算放大器的反相输入端和其输出端之间等，可以串联一个或多个适宜阻值的电阻。

本实用新型的上述实施例可以彼此组合，且具有相应的技术效果。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁力矩器恒流驱动电路，其特征在于，包括：控制电路、激励输出电路、压控恒流源电路和电流反馈电路；

其中，所述控制电路将电压数字量输出给所述激励输出电路；

所述激励输出电路用于将电压数字量转换为模拟电压信号，并将其输出给所述压控恒流源电路；

所述压控恒流源电路用于接收模拟电压信号，将其转换为恒定的电流，并向磁力矩器输出；

所述电流反馈电路用于对输出给磁力矩器的输出电流进行采样，并反馈给所述控制电路，以使所述控制电路调节输出的电压数字量。

2.根据权利要求1所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述控制电路采用MCU或FPGA作为运算单元，根据磁力矩器所需电流输出电压数字量，并处理所述电流反馈电路反馈的磁力矩器输出电流对输出的电压数字量进行调节。

3.根据权利要求1所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述激励输出电路包括D/A转换芯片、电源和幅值调理电路；其中，所述D/A转换芯片与所述控制电路和所述幅值调理电路串联，以接收所述控制电路输出的电压数字量，将其转换为模拟电压信号，并输出给所述幅值调理电路；所述幅值调理电路用于对所述D/A转换芯片输出的模拟电压信号进行调理，并输出给所述压控恒流源电路；所述电源用于向所述D/A转换芯片和所述幅值调理电路提供电压。

4.根据权利要求3所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述D/A转换芯片具有SPI输入接口；所述激励输出电路通过SPI接口接收所述控制电路输出的电压数字量。

5.根据权利要求3所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述幅值调理电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器采用轨对轨运算放大器。

6.根据权利要求1所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述压控恒流源电路包括电压控制恒流源，通过稳定电压控制向磁力矩器输出稳定的电流。

7.根据权利要求6所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述电压控制恒流源包括反相并联的第二运算放大器和第三运算放大器，以对模拟电压信号进行功率放大，并输出双向恒定的电流到磁力矩器。

8.根据权利要求7所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述第二运算放大器和所述第三运算放大器采用功率运算放大器。

9.根据权利要求7所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述压控恒流源电路还包括与磁力矩器并联的两个反向串联的泄放二极管，以对反向电动势进行泄放。

10.根据权利要求1所述的恒流驱动电路，其特征在于，所述电流反馈电路包括Δ-Σ数模转换芯片和与其并联的采样电阻；所述采样电阻与磁力矩器串联；所述Δ-Σ数模转换芯片用于测量所述采样电阻两端的差分电压，并通过所述采样电阻的阻值和差分电压的压差计算输出给磁力矩器的输出电流，并将电流数据传输至所述控制电路。