本發(fā)明涉及一種熱控結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種空間軌道運(yùn)行的機(jī)械臂伺服控制器的熱控結(jié)構(gòu)，屬于電子電路溫度控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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空間機(jī)械臂是集機(jī)械、電子、熱控、視覺(jué)、動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科于一體的高端航天裝備，是未來(lái)空間機(jī)構(gòu)一個(gè)新的發(fā)展方向，有著廣闊的應(yīng)用前景和很強(qiáng)的技術(shù)牽引與帶動(dòng)作用?？臻g機(jī)構(gòu)在應(yīng)用時(shí)一般暴露在空間環(huán)境中，需要面對(duì)微重力、真空、低溫、原子氧和輻射等復(fù)雜的太空環(huán)境。其中溫度控制和抗輻照設(shè)計(jì)是空間機(jī)構(gòu)能否成功穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一。

空間機(jī)械臂運(yùn)行在近地太陽(yáng)同步軌道，不同階段的熱環(huán)境相差極大，在太陽(yáng)直射區(qū)域，受到太陽(yáng)的直接照射、太陽(yáng)自地球的反照和地球的紅外輻射等熱流，空間機(jī)構(gòu)將面臨高溫和輻照的考驗(yàn)；進(jìn)入太陽(yáng)輻射陰影區(qū)時(shí)，沒(méi)有太陽(yáng)輻射，宇宙空間背景輻射能量微乎其微，空間機(jī)構(gòu)又將面臨低溫的環(huán)境?？臻g機(jī)械臂在近地軌道周期性運(yùn)行，熱環(huán)境也周期性的發(fā)生變化，在不同運(yùn)行階段最大溫差可達(dá)±100℃?？臻g機(jī)械臂伺服控制器作為機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)核心，通過(guò)內(nèi)部復(fù)雜的控制電路實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，控制電路中多數(shù)電子器件對(duì)溫度比較敏感，且需要承受高溫和低溫的循環(huán)交替考驗(yàn)。同時(shí)，機(jī)械臂自身內(nèi)部，部分芯片耗散一部分熱量，電機(jī)運(yùn)行時(shí)也釋放一定的熱量。這部分熱量對(duì)機(jī)械臂內(nèi)部熱環(huán)境也產(chǎn)生一定的影響。需要通過(guò)熱控設(shè)計(jì)，在各種邊界條件和內(nèi)部熱狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂各部分溫度在規(guī)定范圍內(nèi)，從而保證伺服控制器的可用性、精度以及壽命等產(chǎn)生重要的影響。

傳統(tǒng)的控制器熱控設(shè)計(jì)，采用金屬殼傳導(dǎo)和與外界隔熱的方式進(jìn)行溫控，溫度會(huì)隨著外界和設(shè)備內(nèi)部熱流變化而改變，溫度變化會(huì)影響一些對(duì)溫度較為敏感的器件的精度和準(zhǔn)確性，尤其對(duì)于空間機(jī)械臂這種對(duì)運(yùn)算結(jié)果精度要求非常高的設(shè)備，傳統(tǒng)熱控方法顯然不能滿足要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種空間應(yīng)用伺服控制器的熱控結(jié)構(gòu)，，保證了溫度的穩(wěn)定性，確保了對(duì)溫度較為敏感的元器件的精度和準(zhǔn)確性。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種空間應(yīng)用伺服控制器的熱控結(jié)構(gòu)，包括上熱控板、下熱控板、上電加熱片、下電加熱片、柔性導(dǎo)熱墊片、側(cè)壁、溫度傳感器以及溫控電路；

溫度傳感器以及溫控電路布置在控制電路的電路板上，溫度傳感器實(shí)時(shí)采集電路板溫度發(fā)送給溫控電路，溫控電路根據(jù)電路板溫度計(jì)算控制電路元器件的溫度，根據(jù)控制電路元器件的溫度啟動(dòng)或關(guān)閉上電加熱片和下電加熱片；

上熱控板和下熱控板對(duì)應(yīng)于控制電路上元器件的位置加工有凸臺(tái)，熱控結(jié)構(gòu)裝配完成后各凸臺(tái)與控制電路上對(duì)應(yīng)元器件的間距一致；上電加熱片貼合在上熱控板下表面，下電加熱片貼合在下熱控板上表面，且上電加熱片和下電加熱片對(duì)應(yīng)于控制電路上各元器件的位置為鏤空結(jié)構(gòu)，柔性導(dǎo)熱墊片鋪放在控制電路的元器件上，上熱控板貼合到控制電路上表面的柔性導(dǎo)熱墊片上，下熱控板貼合到控制電路下表面的柔性導(dǎo)熱墊片上，上熱控板、下熱控板與控制電路緊固連接；側(cè)壁套在控制電路的外圍，且與上熱控板和下熱控板緊固連接。

所述下熱控板下表面設(shè)置有散熱窗，所述散熱窗用于向外輻射熱控結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱量，同時(shí)反射外部的光輻照；

在下熱控板外表面除散熱窗以外的部分以及上熱控板和側(cè)壁外表面設(shè)置有隔熱層。

所述散熱窗的材料為鋁合金光亮鍍金。

上熱控板、下熱控板與控制電路通過(guò)聚四氟乙烯墊柱和螺釘緊固連接。

所述上電加熱片和下電加熱片均采用聚酰亞胺薄膜作為外層保護(hù)，內(nèi)層布置電阻絲。

所述溫控電路根據(jù)電路板溫度計(jì)算控制電路元器件的溫度的實(shí)現(xiàn)方式如下：

(6.1)首先通過(guò)仿真方法，計(jì)算控制電路的電路板上，溫度傳感器到被監(jiān)測(cè)元器件結(jié)的熱阻R_jc；

(6.2)根據(jù)溫度傳感器采集的溫度和伺服控制器不同工作狀態(tài)下熱量損耗參數(shù)利用公式T_j＝λ·T_c+Q_i·R_jc+ΔT_i計(jì)算被監(jiān)測(cè)元器件的結(jié)溫T_j，其中T_c為溫度傳感器采集的溫度，λ為溫度修正系數(shù)，Q_i為伺服控制器不同狀態(tài)下的總功耗，ΔT_i為電機(jī)輻射升溫。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1)該結(jié)構(gòu)由金屬結(jié)構(gòu)和柔性導(dǎo)熱墊實(shí)現(xiàn)熱量的雙向傳導(dǎo)，加熱和散熱使用同一路徑，降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，減少了傳熱失效環(huán)節(jié)，在各種邊界條件和內(nèi)部熱狀態(tài)下，保證了溫度的穩(wěn)定性，確保了對(duì)溫度較為敏感的元器件的精度和準(zhǔn)確性，適用于空間機(jī)械臂等對(duì)運(yùn)算結(jié)果精度要求非常高的設(shè)備。

2)本發(fā)明熱控結(jié)構(gòu)外部包裹隔熱材料，并設(shè)置散熱窗。由散熱窗增加向外的熱輻射和降低外向內(nèi)的輻射熱的吸收。降低外部環(huán)境對(duì)內(nèi)的輻射的同時(shí)，避免了徹底將設(shè)備與外界完全隔離，內(nèi)部熱量損耗無(wú)法向外輻射，造成熱量堆積、溫度升高的問(wèn)題。

3)本發(fā)明在低溫條件下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的加熱，避免因溫度過(guò)低造成設(shè)備無(wú)法啟動(dòng)或元器件失效的問(wèn)題。

4)本發(fā)明通過(guò)布置單點(diǎn)或多點(diǎn)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路板內(nèi)部溫度，將采集數(shù)據(jù)傳遞給溫控電路，溫控電路通過(guò)預(yù)先設(shè)定的算法，估算電路上元器件節(jié)點(diǎn)溫度，進(jìn)而控制電加熱片和過(guò)溫保護(hù)功能的打開和關(guān)閉。這一設(shè)計(jì)避免了直接測(cè)量期間節(jié)點(diǎn)溫度的所帶來(lái)的困難，使設(shè)備內(nèi)部溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明熱控結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為散熱工況示意圖；

圖3為加熱工況示意圖；

圖4為熱控機(jī)構(gòu)各模塊信息交互示意圖；

圖5為熱控結(jié)構(gòu)外圍溫度防護(hù)示意圖；

圖6為熱阻仿真計(jì)算示意圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。

隨著電子電力的發(fā)展，電子元器件的運(yùn)算量和復(fù)雜型的不斷提升，功耗隨之不斷增加，溫度控制也成為電子設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。本發(fā)明提供了一種熱控結(jié)構(gòu)，為在高低溫交變的環(huán)境下伺服控制器中電子器件的溫度控制，提供了一種可靠結(jié)構(gòu)。該熱控結(jié)構(gòu)通過(guò)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、運(yùn)算、反饋，以及優(yōu)化的熱量傳導(dǎo)路徑，控制伺服控制器內(nèi)溫度在一定溫度范圍內(nèi)，提高伺服控制器中電子元器件的精度、可靠性以及壽命，保證伺服控制器運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

如圖1所示，空間機(jī)構(gòu)伺服控制器控制核心為控制電路的電路板104，溫度敏感元器件(芯片)分布在該板的兩側(cè)。本發(fā)明熱控結(jié)構(gòu)主體采用雙層熱控板夾裝電路板的設(shè)計(jì)，即通過(guò)上熱控板101和下熱控板109將控制電路板夾裝。上熱控板101、下熱控板109、上電加熱片102和下電加熱片108的尺寸與控制電路相匹配，上熱控板101和下熱控板109采用鋁合金材料，表面設(shè)置高度不同的凸臺(tái)，并與電路板104上的元器件相對(duì)應(yīng)，保證夾裝后控制電路板上各元器件與凸臺(tái)間距一致。在上熱控板101的下表面貼裝上電加熱片102，在下熱控板109的上表面貼裝下電加熱片108，且上電加熱片102和下電加熱片108對(duì)應(yīng)于控制電路上各器件的位置為鏤空結(jié)構(gòu)，上電加熱片102和下電加熱片108采用聚酰亞胺薄膜作為外層保護(hù)，內(nèi)層布置電阻絲，通電后(啟動(dòng)后)電阻絲產(chǎn)生熱量向外傳導(dǎo)，達(dá)到加熱目的。電加熱片上相應(yīng)的布置開孔，使凸臺(tái)不被覆蓋，以免影響控制電路各器件與熱控板之間的傳熱。為了降低接觸熱阻，在控制電路板上各元器件與上熱控板的凸臺(tái)之間添加上柔性導(dǎo)熱墊片103，在控制電路板上各器件與下熱控板的凸臺(tái)之間添加下柔性導(dǎo)熱墊片106，一方面降低傳熱路徑的熱阻，另一方起到緩沖作用，保護(hù)凸臺(tái)可能對(duì)器件造成的沖擊損傷。溫度傳感器以及溫控電路布置在控制電路的電路板上，溫度傳感器實(shí)時(shí)采集電路板溫度發(fā)送給溫控電路，溫控電路根據(jù)電路板溫度計(jì)算控制電路元器件的溫度，根據(jù)控制電路元器件的溫度啟動(dòng)或關(guān)閉上電加熱片102和下電加熱片108。

上熱控板101、下熱控板109與控制電路板104通過(guò)聚四氟乙烯墊柱105和螺釘安裝到一起，墊柱采用彈性材料，起到緩沖作用對(duì)電路板進(jìn)行保護(hù)。上、下熱控板101和109和側(cè)壁107通過(guò)螺釘緊固到一起，側(cè)壁與空間機(jī)械臂整體聯(lián)通，熱量主要通過(guò)側(cè)壁傳導(dǎo)到機(jī)械臂整體以便散熱。

溫控電路根據(jù)電路板溫度計(jì)算控制電路元器件的溫度的實(shí)現(xiàn)方式如下：

(1)首先通過(guò)仿真方法，計(jì)算控制電路的電路板上，溫度傳感器到被監(jiān)測(cè)元器件結(jié)的熱阻R_jc；熱阻仿真的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

(2)根據(jù)溫度傳感器采集的溫度和伺服控制器不同工作狀態(tài)下熱量損耗參數(shù)利用公式T_j＝λ·T_c+Q_i·R_jc+ΔT_i計(jì)算被監(jiān)測(cè)元器件的結(jié)溫T_j，其中T_c為溫度傳感器采集的溫度，λ為溫度修正系數(shù)，由于傳感器測(cè)量的溫度與控制板處實(shí)際溫度有偏差，因此由此系數(shù)進(jìn)行修正，該值由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，λ值取1.1。Q_i為伺服控制器不同狀態(tài)下的總功耗，由于機(jī)械臂在進(jìn)行不同動(dòng)作及工況下，元器件產(chǎn)生的熱損耗有所不同，熱損耗取不同的Q_i值。ΔT_i為電機(jī)輻射升溫，對(duì)應(yīng)電機(jī)不同動(dòng)作及工況下，電機(jī)熱輻射導(dǎo)致的溫升取不同的ΔT_i值。R_jc為溫度傳感器到元器件結(jié)的熱阻。

本發(fā)明的工作原理如下：

以電路板上方各器件為例，如圖2所示，在散熱工況下，電路板104上的元器件自身耗散的熱量及從外界吸收的熱量，經(jīng)過(guò)上柔性導(dǎo)熱墊片103傳遞到上熱控板101，再通過(guò)上熱控板傳導(dǎo)到空間機(jī)械臂側(cè)壁107，空間機(jī)構(gòu)外壁是機(jī)構(gòu)整體的主要散熱器。在電路板上布置溫度傳感器，監(jiān)測(cè)元器件周邊的溫度，溫度超過(guò)上限時(shí)，啟動(dòng)溫控模塊的過(guò)溫保護(hù)功能。

如圖3所示，在加熱工況下，溫度傳感器111首先監(jiān)測(cè)到元器件周邊溫度低于臨界值，溫控模塊啟動(dòng)上電加熱片102。電加熱片對(duì)上熱控板101進(jìn)行加熱，同時(shí)熱量通過(guò)上熱控板，經(jīng)過(guò)上柔性導(dǎo)熱墊片103傳遞給電路板上的元器件104，以保證元器件在低溫運(yùn)行階段，溫度維持在一定范圍內(nèi)。

該熱控結(jié)構(gòu)的溫度監(jiān)測(cè)和控制功能，主要通過(guò)溫度傳感器111、電加熱片以及電路板104上的溫控模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，通過(guò)布置在電路板上的溫度傳感器采集溫度信息，傳遞給溫控電路，一方面，監(jiān)測(cè)溫度低于低溫臨界點(diǎn)時(shí)，溫控電路啟動(dòng)電加熱片，達(dá)到一定溫度時(shí)，關(guān)閉電加熱片；另一方面，溫控電路設(shè)計(jì)了過(guò)溫保護(hù)功能，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到控制電路溫度過(guò)高時(shí)，溫控模塊關(guān)閉，溫控電路只保留溫度檢測(cè)功能，控制器進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)檢測(cè)到一段時(shí)間內(nèi)所有溫度傳感器均低于指定溫度后開啟全部功能，進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)模式。

熱控結(jié)構(gòu)外殼包裹隔熱層，在控制器底面劃定一定區(qū)域，該區(qū)域不做隔熱層包裹處理。其示意圖如圖5。該區(qū)域采用鋁合金，做光亮處理并電鍍金形成散熱窗，該材料具有對(duì)輻射的高發(fā)射率和較低的吸收比，通過(guò)該熱控涂層調(diào)整散熱窗區(qū)域金屬殼表面的熱輻射特性，，在降低對(duì)外界輻射的吸收的同時(shí)，增強(qiáng)向外界環(huán)境的熱輻射能力，從而向外界發(fā)散熱量。散熱窗作為機(jī)械臂機(jī)構(gòu)與外界真空環(huán)境熱量交換的重要區(qū)域，對(duì)機(jī)構(gòu)整體的熱控都起到了重要作用。

本發(fā)明的熱控結(jié)構(gòu)不僅適用于近地太陽(yáng)同步軌道的空間機(jī)構(gòu)，同樣適用于室外、沙漠等高低溫交變的工作環(huán)境或其它極端環(huán)境下的電力電子設(shè)備的溫度控制，亦可以用于對(duì)溫度敏感的電力電子設(shè)備的恒溫控制。

本發(fā)明通過(guò)布置單點(diǎn)或多點(diǎn)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路板內(nèi)部溫度，將采集數(shù)據(jù)傳遞給溫控電路，溫控電路通過(guò)預(yù)先設(shè)定的算法，估算電路上元器件節(jié)點(diǎn)溫度(如果是布置多點(diǎn)溫度傳感器，則根據(jù)每個(gè)傳感器測(cè)得的溫度得到元器件的溫度，然后將得到的多個(gè)元器件的溫度求取平均值，該平均值即為元器件節(jié)點(diǎn)溫度)，進(jìn)而控制電加熱片和過(guò)溫保護(hù)功能的打開和關(guān)閉。

本發(fā)明的熱控結(jié)構(gòu)，成功應(yīng)用于某空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并順利通過(guò)了軌道環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，經(jīng)測(cè)試該熱控結(jié)構(gòu)將控制電路溫度控制在30～35℃之內(nèi)，確保了機(jī)械臂動(dòng)作位置誤差在±0.1°之內(nèi)，成功完成了運(yùn)行目標(biāo)。

本發(fā)明未詳細(xì)說(shuō)明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。