本實(shí)用新型涉及控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路。

背景技術(shù)：

無(wú)拖曳控制是衛(wèi)星控制系統(tǒng)采用慣性檢測(cè)和連續(xù)可調(diào)推力器控制相結(jié)合的一種技術(shù)，其本質(zhì)是促使檢測(cè)質(zhì)量始終“免受”外部干擾，并在“純粹”引力作用進(jìn)行軌道運(yùn)動(dòng)，從而滿足超靜衛(wèi)星平臺(tái)在工作期間高穩(wěn)定度的要求，是空間基礎(chǔ)物理、微重力測(cè)量、地球科學(xué)和衛(wèi)星導(dǎo)航等實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。具體來(lái)說(shuō)，無(wú)拖曳航天技術(shù)包括慣性傳感器參考物體、無(wú)拖曳控制器和微推進(jìn)器三部分。其中，慣性參考物體提供參考基準(zhǔn)，其受到的非引力殘余擾動(dòng)力必須盡可能小，其軌跡盡可能沿著測(cè)地線運(yùn)動(dòng)，即只受引力作用的運(yùn)動(dòng)軌跡。微推進(jìn)器主要產(chǎn)生微小的推力和力矩，用來(lái)補(bǔ)償衛(wèi)星的殘余擾動(dòng)力，微推進(jìn)器的推力精度依賴衛(wèi)星質(zhì)量，一般而言需要達(dá)到微牛頓量級(jí)水平。無(wú)拖曳控制器是根據(jù)慣性傳感器的輸出(即衛(wèi)星偏離慣性參考物體的運(yùn)動(dòng))來(lái)控制微推進(jìn)器。

申請(qǐng)?zhí)枮镃N200910061185.6的發(fā)明專利公開(kāi)了一種無(wú)拖曳控制雙扭擺測(cè)試裝置，該發(fā)明主要是利用雙扭擺裝置測(cè)試無(wú)拖曳地面控制的測(cè)試問(wèn)題。申請(qǐng)?zhí)枮镃N201210042617.0的發(fā)明專利公開(kāi)了一種無(wú)拖曳航天器的自由落體驗(yàn)證裝置，解決了短時(shí)間實(shí)現(xiàn)空間無(wú)拖曳航天系統(tǒng)技術(shù)地面環(huán)境下的性能和功能測(cè)試驗(yàn)證問(wèn)題。然而，以上兩項(xiàng)專利主要解決無(wú)拖曳控制系統(tǒng)的測(cè)試問(wèn)題，既沒(méi)有提出相關(guān)的硬件設(shè)備和裝置，也沒(méi)有涉及具體的電路設(shè)計(jì)思路和信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路，能夠?qū)崿F(xiàn)了無(wú)拖曳控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并提高比例推力器的預(yù)設(shè)輸出氣流的穩(wěn)定性。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的實(shí)施例提供一種用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路，包括：電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、恒流驅(qū)動(dòng)模塊；所述電源模塊用于為所述控制電路提供電源；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于根據(jù)所述推力器獲取傳感反饋信息；所述控制模塊用于根據(jù)所述傳感反饋信息控制所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊，以使所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)所述推力器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

本實(shí)用新型實(shí)施例的用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路，其中控制模塊通過(guò)來(lái)自于比例推力器的傳感反饋信息對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了用于無(wú)拖曳控制器的具體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了比例推力器的預(yù)設(shè)輸出氣流的穩(wěn)定性。

其中，所述的用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路還包括存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)所述傳感反饋信息以及其他參數(shù)信息。

其中，所述存儲(chǔ)模塊采用Nandflash。

其中，所述的用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路還包括推力器電接口和數(shù)據(jù)采集電接口，其中所述推力器電接口和所述數(shù)據(jù)采集電接口都采用2線制。

其中，所述傳感反饋信息包括溫度信息和電流信息；所述數(shù)據(jù)采集模塊包括溫度信息采集單元和電流信息采集單元；其中，所述溫度信息采集單元包括濾波電路、隔離電路、信號(hào)調(diào)理電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述電流信息采集單元包括電流/電壓變換電路、濾波電路、隔離電路、信號(hào)調(diào)理電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

其中，所述傳感反饋信息還包括流量信息；所述數(shù)據(jù)采集模塊還包括流量信息采集單元。

其中，所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的精度為24BIT。

其中，所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路、電流/電壓變換電路、電流/電壓變換電路和隔離電路。

其中，所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊的輸出電流為50mA-300mA、電流分辨率為100uA，其供電電源的參數(shù)為48V。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的實(shí)施例還提供了一種航天器，包括如上所述的用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路。

本實(shí)用新型實(shí)施例的航天器，其包含的用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路中的控制模塊可以通過(guò)來(lái)自于比例推力器的傳感反饋信息對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了用于無(wú)拖曳控制器的具體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了比例推力器的預(yù)設(shè)輸出氣流的穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的電源模塊的工作原理圖；

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的用于控制模塊的電源工作原理圖；

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的數(shù)據(jù)采集模塊的工作原理圖；

圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例的恒流驅(qū)動(dòng)模塊的工作原理圖；

圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例的恒流驅(qū)動(dòng)模塊中DAC控制電路的工作原理圖；

圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例的恒流驅(qū)動(dòng)模塊中DAC輸出電路的工作原理圖；

圖9為本實(shí)用新型實(shí)施例的恒流驅(qū)動(dòng)模塊中V/I恒流電路的工作原理圖；

圖10為本實(shí)用新型實(shí)施例的存儲(chǔ)模塊的工作原理圖；

圖11為本實(shí)用新型實(shí)施例的航天器的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

11-電源模塊；12-數(shù)據(jù)采集模塊；13-控制模塊；14-恒流驅(qū)動(dòng)模塊；100-控制電路；200-航天器；41-溫度信息采集單元；42-電流信息采集單元。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有的無(wú)拖曳推力器控制及驅(qū)動(dòng)電路僅處于學(xué)術(shù)理論研究，并無(wú)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等問(wèn)題，提出一種用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路，實(shí)現(xiàn)了無(wú)拖曳控制器的具體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了比例推力器的預(yù)設(shè)輸出氣流的穩(wěn)定性。

如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例的用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路100，包括：電源模塊11、數(shù)據(jù)采集模塊12、控制模塊13、恒流驅(qū)動(dòng)模塊14。其中，所述電源模塊11用于為所述控制電路提供電源，所述數(shù)據(jù)采集模塊12用于根據(jù)所述推力器獲取傳感反饋信息，所述控制模塊13用于根據(jù)所述傳感反饋信息控制所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊14，以使所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊14對(duì)所述推力器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

其中，所述控制模塊13為控制電路100的核心，用于協(xié)調(diào)整個(gè)控制電路100的各組成部分。實(shí)際應(yīng)用中，所述控制模塊13可以為DSP芯片，如TMS320C6747。舉例來(lái)說(shuō)，所述控制模塊13可以對(duì)所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊14進(jìn)行PID控制。具體的，所述控制模塊13根據(jù)所述傳感反饋信號(hào)預(yù)先設(shè)定所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊14的PID控制參數(shù)以對(duì)所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊14實(shí)現(xiàn)PID算法控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊14對(duì)所述推力器的驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，為了保證控制的準(zhǔn)確和精度，所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊14向所述控制模塊13傳輸“反饋控制信號(hào)”以對(duì)上述控制進(jìn)行微調(diào)和校正。

電源模塊11由兩路組成，其中一路給負(fù)載(即“推力器”)提供電源，另一路給控制電路100提供電源。具體的，如圖2所示，220V50Hz交流電可以通過(guò)AC-DC模塊變換為48V，以提供負(fù)載所需的電壓和電流信號(hào)。同時(shí)，220V50Hz交流電也可以通過(guò)AC-DC模塊變換為24V，進(jìn)而再通過(guò)一系列變換得到所述控制電路100所需的各類(lèi)電壓。具體的，24V直流電可以通過(guò)DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為±15V，提供ADC和DAC需要的電源信號(hào)；24V直流電也可以通過(guò)DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為5V，為ADC和DAC提供需要的參考源±10V，也可以通過(guò)LDO(low dropout，低壓降)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為3.3V、1.8V以為DSP和其他相關(guān)外圍電路供電。

在本實(shí)施例的電源模塊11的設(shè)計(jì)中，可以采用集成電源模塊，電路設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單。圖3為控制模塊13TMS320C6747的電源工作原理圖。如圖3所示，所述電源模塊11根據(jù)所述控制模塊的工作需要，為其提供了1.2V、1.8V和3.3V的電源。

在本實(shí)施例中，所述傳感反饋信息可以包括溫度信息和電流信息。相應(yīng)的，如圖4所示，所述數(shù)據(jù)采集模塊12可以包括溫度信息采集單元41和電流信息采集單元42。如圖5所示，所述溫度信息采集單元41可以包括濾波電路、隔離電路、信號(hào)調(diào)理電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC；所述電流信息采集單元42可以包括電流/電壓變換電路、濾波電路、隔離電路、信號(hào)調(diào)理電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC。

一般的，溫度信息可以通過(guò)0-5V模擬信號(hào)進(jìn)行采集。由于溫度信息的準(zhǔn)確性直接影響到流量信息的計(jì)算，并進(jìn)一步影響推力器控制的精度，因此宜采用高精度的ADC。同時(shí)，由于控制電路100的總響應(yīng)時(shí)間要求小于20ms，因此選用高速ADC也是必要的。綜上，在本實(shí)施例中，所述溫度信息采集單元41可以選用AD7732。

電流信息的采集是為了更好地控制負(fù)載電流，和電流控制電路形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)，反饋的電流信息的精度也直接影響到電流控制精度。負(fù)載電流的控制分辨率為100uA，采用30ohm的采樣電阻對(duì)電流進(jìn)行采樣，則采樣電壓的分辨率為100uA×30ohm＝3mV。而采樣電壓的動(dòng)態(tài)范圍為(120mA×30ohm)-(250mA×30ohm)，即(3.6V-7.5V＝3.9V)。因此，ADC可以選用0-10V或者-10V-10V，ADC的分辨率要大于

或者

通過(guò)上述分析可知，ADC理論上為12bit或者13bit。考慮到ADC的非線性等因素導(dǎo)致的誤差，ADC至少選用16bit精度的。進(jìn)一步的，本電路設(shè)計(jì)還考慮到冗余設(shè)計(jì)，故數(shù)據(jù)采集模塊12可以采用24位ADC，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路溫度信息的采集和一路電流信息的采集。

優(yōu)選的，所述傳感反饋信息還可以包括流量信息。相應(yīng)的，所述數(shù)據(jù)采集模塊12還可以包括流量信息采集單元。

如圖6所示，所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊14可以包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路、電流/電壓變換電路、電流/電壓變換電路和隔離電路。所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊14的電流輸出范圍為120mA-250mA，負(fù)載電阻為120ohm左右?？紤]到推力器的比例閥開(kāi)度與電流的關(guān)系，可以將所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊14的輸出電流范圍設(shè)計(jì)為50mA-300mA的動(dòng)態(tài)范圍，電流分辨率為100uA。另一方面，由于負(fù)載電阻為120ohm，負(fù)載電壓為14V-28V，考慮到控制電路100的精度和采樣電阻的壓降問(wèn)題，負(fù)載供電電源必須大于負(fù)載電壓與采樣電壓的和的1.2倍，因此，供電電壓擬采用48V(1A)的電壓源。具體的，所述恒流驅(qū)動(dòng)模塊14中的AD5791D/A控制電路、AD5791D/A輸出電路以及V/I恒流電路的電路硬件設(shè)計(jì)圖分別如圖7-圖9所示。

此外，所述用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路100還可以包括存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)所述傳感反饋信息以及其他參數(shù)信息。其中，如圖10所示，鑒于所述控制電路100需要高速、高精度等特點(diǎn)，所述存儲(chǔ)模塊可以采用Nandflash，Nandflash存儲(chǔ)器內(nèi)部采用非線性宏單元模式，具有容量較大，改寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，因而在業(yè)界得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

所述用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路100還可以包括各種電接口，如推力器電接口和數(shù)據(jù)采集電接口。例如，所述數(shù)據(jù)采集電接口可以為流量傳感器接口，信號(hào)輸入端可接入2路模擬信號(hào)，輸入電壓正常范圍為0-5V，采用2線制。而所述推力器電接口的信號(hào)輸出端可驅(qū)動(dòng)所述比例推力器，輸出電流為0-250mA，負(fù)載電阻可達(dá)120Ω，也采用2線制。

如圖11所示，本實(shí)用新型的實(shí)施例還提供了一種航天器200，包括如上所述的用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路100。

本實(shí)用新型實(shí)施例的航天器，其包含的用于無(wú)拖曳微小比例推力器的控制電路中的控制模塊可以通過(guò)來(lái)自于比例推力器的傳感反饋信息對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了用于無(wú)拖曳控制器的具體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了比例推力器的預(yù)設(shè)輸出氣流的穩(wěn)定性。

在本實(shí)用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以及特定的方位構(gòu)造和操作，因此，不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。此外，“第一”、“第二”僅由于描述目的，且不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者多個(gè)該特征。本實(shí)用新型的描述中，除非另有說(shuō)明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”“相連”“連接”等應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接連接，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本實(shí)用新型中的具體含義。

上述實(shí)施例是參考附圖來(lái)描述的，其他不同的形式和實(shí)施例也是可行而不偏離本實(shí)用新型的原理，因此，本實(shí)用新型不應(yīng)被建構(gòu)成為在此所提出實(shí)施例的限制。更確切地說(shuō)，這些實(shí)施例被提供以使得本實(shí)用新型會(huì)是完善又完整，且會(huì)將本實(shí)用新型范圍傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在附圖中，組件尺寸及相對(duì)尺寸也許基于清晰起見(jiàn)而被夸大。在此所使用的術(shù)語(yǔ)只是基于描述特定實(shí)施例目的，并無(wú)意成為限制用。術(shù)語(yǔ)“包含”及/或“包括”在使用于本說(shuō)明書(shū)時(shí)，表示所述特征、整數(shù)、構(gòu)件及/或組件的存在，但不排除一或更多其它特征、整數(shù)、構(gòu)件、組件及/或其族群的存在或增加。除非另有所示，陳述時(shí)，一值范圍包含該范圍的上下限及其間的任何子范圍。

以上所述是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型所述原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。