一种真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置，属于微真空弧电推进发动机功率控制技术领域。结合嵌入式系统和高压换能电路，实时接收外部控制和参数配置指令，将直流低压输入转换为供推力器头部放电使用的脉冲型直流高压，重复有序地输出功率型脉冲高压信号，施加在推力器头的电极两端，引发极间电弧放电。所述装置包括脉冲控制信号发生模块、信号隔离模块、高压发生模块以及辅助模块；脉冲控制信号发生模块与信号隔离模块相连，信号隔离模块与高压发生模块相连，辅助模块与脉冲控制信号发生模块、信号隔离模块以及高压发生模块相连。所述装置具有成本低、易扩展、通用性强、设计灵活、安全可靠、功能完善、强弱信号分离以及实时性强的优点。

A high voltage pulse driving control device for vacuum arc engine

【技术实现步骤摘要】
一种真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置
本专利技术涉及一种真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置，属于微真空弧电推进发动机功率控制

技术介绍
近年来，微纳卫星可承担的太空任务越来越多样化，受限于其重量和体积，动力装置需要具有体积小、质量轻、结构简单、功率小、长寿命、高精度姿态控制等特点。微纳卫星上的微小推进系统作为微纳卫星的动力装置，也逐渐成为发展微纳卫星的一项重要技术。微阴极电弧推力器是一种适用于微纳卫星的推进装置，该推力器主要由间通过数百伏甚至上千伏的高压脉冲发生电弧放电，产生等离子体，在电场和磁场的耦合作用下加速等离子体使其喷出，从而产生推力。当前国际的研究机构和高校都开展了微阴极电弧推力器的基础和应用研究。自20世纪60年代末美国的Gilmour和Dethlefsen等人开始真空弧推力器VAT的研制工作开始，到目前国外包括美国、德国、日本等国家开展了VAT的研制工作，其中有一些真空弧推力器成功地实现卫星搭载，如美国于2015年3月发射的BricSat配置的微阴极电弧推力器。此外大量的研究人员开展了相关理论、数值和实验研究。随着航天技术的发展，维纳卫星受限于整星重量和体积，其动力装置需要具有高性能、小体积和高可靠性。微真空弧发动机高压脉冲驱动信号的生成质量与电气可靠性和控制稳定性直接相关。
技术实现思路
本专利技术的目的在于真空弧脉冲发动机中驱动控制电路同供电、推力指标情况下存在转化功率小以及寿命低的技术缺陷，提出了一种真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置，将嵌入式系统和高压换能电路相结合，实时接收外部控制和参数配置指令，将直流低压输入转换为供推力器头部放电使用的脉冲型直流高压，重复有序地输出功率型脉冲高压信号，施加在推力器头的电极两端，引发极间电弧放电。所述真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置是真空弧发动机系统中的核心功能单元，包括脉冲控制信号发生模块、信号隔离模块、高压发生模块以及辅助模块；其中，信号隔离模块包括光耦隔离电路；脉冲控制信号发生模块包括数据通信接口、嵌入式主控电路；高压发生模块包括高压电源和滤波模块、高压稳定控制电路模块、电压监测电路模块以及高压开关电路；高压开关电路包括高压开关，高压开关的正极连接真空弧放电发动机的推力器头阳极、高压开关的负极接推力器头的阴极；辅助模块包括浪涌抑制和保护电路、电源隔离模块、共模滤波电路以及线性低压输出电源模块；浪涌抑制和保护电路包括缓启动电路、防反电路和稳压电路；缓启动电路包括缓启动阻容网络、三极管和场效应管；浪涌抑制和保护电路的输入为一次供电母线电压；浪涌抑制和保护电路在一次供电母线的电压端设置有自恢复保险电路，肖特基整流管D1和TVS稳压二极管D2构成电源保护电路；其中，D1防止外部外部电源极性接反烧毁电路，D2防止瞬间母线电压波动导致过压而损伤后级电路；脉冲控制信号发生模块与信号隔离模块相连，信号隔离模块与高压发生模块相连，辅助模块与脉冲控制信号发生模块、信号隔离模块以及高压发生模块相连；高压发生模块与推力器头相连；具体地：光耦隔离电路与嵌入式主控电路相连；数据通信接口与嵌入式主控电路相连；嵌入式主控电路与高压稳定控制电路模块以及电压监测电路模块相连；高压电源和滤波模块与高压稳定控制电路模块以及电压监测电路模块相连；高压开关电路与光耦隔离电路相连。所述真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置的信号流程如下：数据通信接口实时接收星务控制系统指令，并返回下位机的运行状态和数据信息给嵌入式主控电路；嵌入式主控电路实现最小核心控制子系统，实现上下位机数据通信、指令解析、控制参数生成、电流电压信号采集与分析并生成高压脉冲驱动控制时序；其中，电流电压采集具体通过电压监测电路模块采集高压稳定控制电路模块中的电流和电压信号；嵌入式主控电路生成高压脉冲驱动控制时序给光耦隔离电路；高压稳定控制电路模块产生高压，高压电源和滤波模块输入为低直流高电压，输出为直流型高电压给高压开关电路；光耦隔离电路接收嵌入式主控电路发出的时序控制序列，并生成能够驱动高压开关电路的信号即高压功率信号，实现高压开关电路的有序导通，输出高压脉冲序列；“光耦隔离电路、嵌入式主控电路以及高压开关电路”对低电压脉冲小信号进行电气隔离和功率放大，实现对高压功率信号的隔离驱动；高压开关电路采用低边侧驱动方式，接收嵌入式主控电路生成的控制时序，经过光耦隔离电路驱动高压开关的栅极实现高压开关的通断，在输出端激发出600～1000V的高压脉冲，击穿负载并引发等离子体放电过程，产生微推力；再通过嵌入式主控电路精确调节各个高压开关的放电时序；所述真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置中各组成部件的功能如下：浪涌抑制和保护电路的功能是提高供电母线的稳定性、可靠性并降低电源噪声；数据通信接口的功能是实现刺激器与星务控制系统的数据通信，实时接收星务控制系统指令，并返回下位机的运行状态和数据信息；嵌入式主控电路的功能是MCU辅以外部时钟、复位以及调试接口电路，实现最小核心控制子系统，实现上下位机数据通信、指令解析、信号采集与分析、控制参数生成、运行初始化、电流电压采集、高压脉冲驱动控制时序生成，并监测信号的运行状态；高压电源和滤波模块的功能是实现低直流电压到直流型高电压的逆变换，通过模块后面的功率型电感和储能电容，对高压直流信号进行能量存储和滤波，保证高压输出时信号平滑以及功率稳定；高压稳定控制电路模块中ADC用于设定稳定输出电压电流的参考值，DAC通过电阻网络采集实时输出的电压和电流，电压比较器的正相和反向端进行比较，控制功率型开关管的通断，实现恒流恒压的稳定可控输出；电压监测电路模块的功能是实现低压侧的电流和电压的供给稳定，设定安全限流，当供给电流超过设定值，及时关断，保证低压侧瞬时能量供给过大而导致的系统不稳定，保护低压侧电源电路和小信号电路；光耦隔离电路的功能是在嵌入式主控电路中MCU发出的时序控制序列，通过光耦隔离电路生成能够驱动高压功率开关管的信号，实现高压功率开关管的有序导通，输出高压脉冲序列；“光耦隔离电路、嵌入式主控电路以及高压开关电路”对低电压脉冲小信号进行电气隔离和功率放大，实现对高压功率信号的隔离驱动，提高系统的安全性和稳定性；高压开关电路采用低边侧驱动方式，接收MCU生成的控制时序，经过光耦隔离驱动高压开关管的栅极实现开关的通断，在输出端激发出高压脉冲，击穿负载，引发等离子体放电过程，产生微推力；再通过MCU精确调节各个开关管的放电时序，使开关管工作在软开关模式下，提高能效，降低损耗。有益效果本专利技术为一种真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置，与现有命名数据网络转发方法相比，具有如下有益效果：1.本专利技术所述装置采用基于嵌入式的高压驱动电路具有成本低、易扩展、通用性强、设计灵活、安全可靠、功能完善、强弱信号分离以及实时性强的优点；2.本专利技术所述装置作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置，其特征在于：包括脉冲控制信号发生模块、信号隔离模块、高压发生模块以及辅助模块；/n其中，信号隔离模块包括光耦隔离电路；脉冲控制信号发生模块包括数据通信接口、嵌入式主控电路；/n高压发生模块包括高压电源和滤波模块、高压稳定控制电路模块、电压监测电路模块以及高压开关电路；/n高压开关电路包括高压开关，高压开关的正极连接真空弧放电发动机的推力器头阳极、高压开关的负极接推力器头的阴极；/n辅助模块包括浪涌抑制和保护电路、电源隔离模块、共模滤波电路以及线性低压输出电源模块；/n浪涌抑制和保护电路包括缓启动电路、防反电路和稳压电路；/n缓启动电路包括缓启动阻容网络、三极管和场效应管；/n其中，D1防止外部外部电源极性接反烧毁电路，D2防止瞬间母线电压波动导致过压而损伤后级电路；/n脉冲控制信号发生模块与信号隔离模块相连，信号隔离模块与高压发生模块相连，辅助模块与脉冲控制信号发生模块、信号隔离模块以及高压发生模块相连；高压发生模块与推力器头相连；/n具体地：光耦隔离电路与嵌入式主控电路相连；数据通信接口与嵌入式主控电路相连；嵌入式主控电路与高压稳定控制电路模块以及电压监测电路模块相连；高压电源和滤波模块与高压稳定控制电路模块以及电压监测电路模块相连；高压开关电路与光耦隔离电路相连。/n所述真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置的信号流程如下：/n数据通信接口实时接收星务控制系统指令，并返回下位机的运行状态和数据信息给嵌入式主控电路；/n嵌入式主控电路实现最小核心控制子系统，实现上下位机数据通信、指令解析、控制参数生成、电流电压信号采集与分析并生成高压脉冲驱动控制时序；/n其中，电流电压采集具体通过电压监测电路模块采集高压稳定控制电路模块中的电流和电压信号；/n嵌入式主控电路生成高压脉冲驱动控制时序给光耦隔离电路；/n高压稳定控制电路模块产生高压，高压电源和滤波模块输入为低直流高电压，输出为直流型高电压给高压开关电路；/n光耦隔离电路接收嵌入式主控电路发出的时序控制序列，并生成能够驱动高压开关电路的信号即高压功率信号，实现高压开关电路的有序导通，输出高压脉冲序列；/n“光耦隔离电路、嵌入式主控电路以及高压开关电路”对低电压脉冲小信号进行电气隔离和功率放大，实现对高压功率信号的隔离驱动；/n高压开关电路采用低边侧驱动方式，接收嵌入式主控电路生成的控制时序，经过光耦隔离电路驱动高压开关的栅极实现高压开关的通断，在输出端激发出600～1000V的高压脉冲，击穿负载并引发等离子体放电过程，产生微推力；再通过嵌入式主控电路精确调节各个高压开关的放电时序；/n所述真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置中各组成部件的功能如下：/n浪涌抑制和保护电路的功能是提高供电母线的稳定性、可靠性并降低电源噪声；/n数据通信接口的功能是实现刺激器与星务控制系统的数据通信，实时接收星务控制系统指令，并返回下位机的运行状态和数据信息；/n嵌入式主控电路的功能是MCU辅以外部时钟、复位以及调试接口电路，实现最小核心控制子系统，实现上下位机数据通信、指令解析、信号采集与分析、控制参数生成、运行初始化、电流电压采集、高压脉冲驱动控制时序生成，并监测信号的运行状态；/n高压电源和滤波模块的功能是实现低直流电压到直流型高电压的逆变换，通过模块后面的功率型电感和储能电容，对高压直流信号进行能量存储和滤波，保证高压输出时信号平滑以及功率稳定；/n高压稳定控制电路模块中ADC用于设定稳定输出电压电流的参考值，DAC通过电阻网络采集实时输出的电压和电流，电压比较器的正相和反向端进行比较，控制功率型开关管的通断，实现恒流恒压的稳定可控输出；/n电压监测电路模块的功能是实现低压侧的电流和电压的供给稳定，设定安全限流，当供给电流超过设定值，及时关断，保证低压侧瞬时能量供给过大而导致的系统不稳定，保护低压侧电源电路和小信号电路；/n光耦隔离电路的功能是在嵌入式主控电路中MCU发出的时序控制序列，通过光耦隔离电路生成能够驱动高压功率开关管的信号，实现高压功率开关管的有序导通，输出高压脉冲序列；/n“光耦隔离电路、嵌入式主控电路以及高压开关电路”对低电压脉冲小信号进行电气隔离和功率放大，实现对高压功率信号的隔离驱动，提高系统的安全性和稳定性；/n高压开关电路采用低边侧驱动方式，接收MCU生成的控制时序，经过光耦隔离驱动高压开关管的栅极实现开关的通断，在输出端激发出高压脉冲，击穿负载，引发等离子体放电过程，产生微推力；再通过MCU精确调节各个开关管的放电时序，使开关管工作在软开关模式下，提高能效，降低损耗。/n...

【技术特征摘要】
1.一种真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置，其特征在于：包括脉冲控制信号发生模块、信号隔离模块、高压发生模块以及辅助模块；
其中，信号隔离模块包括光耦隔离电路；脉冲控制信号发生模块包括数据通信接口、嵌入式主控电路；
高压发生模块包括高压电源和滤波模块、高压稳定控制电路模块、电压监测电路模块以及高压开关电路；
高压开关电路包括高压开关，高压开关的正极连接真空弧放电发动机的推力器头阳极、高压开关的负极接推力器头的阴极；
辅助模块包括浪涌抑制和保护电路、电源隔离模块、共模滤波电路以及线性低压输出电源模块；
浪涌抑制和保护电路包括缓启动电路、防反电路和稳压电路；
缓启动电路包括缓启动阻容网络、三极管和场效应管；
其中，D1防止外部外部电源极性接反烧毁电路，D2防止瞬间母线电压波动导致过压而损伤后级电路；
脉冲控制信号发生模块与信号隔离模块相连，信号隔离模块与高压发生模块相连，辅助模块与脉冲控制信号发生模块、信号隔离模块以及高压发生模块相连；高压发生模块与推力器头相连；
具体地：光耦隔离电路与嵌入式主控电路相连；数据通信接口与嵌入式主控电路相连；嵌入式主控电路与高压稳定控制电路模块以及电压监测电路模块相连；高压电源和滤波模块与高压稳定控制电路模块以及电压监测电路模块相连；高压开关电路与光耦隔离电路相连。
所述真空弧发动机高压脉冲驱动控制装置的信号流程如下：
数据通信接口实时接收星务控制系统指令，并返回下位机的运行状态和数据信息给嵌入式主控电路；
嵌入式主控电路实现最小核心控制子系统，实现上下位机数据通信、指令解析、控制参数生成、电流电压信号采集与分析并生成高压脉冲驱动控制时序；
其中，电流电压采集具体通过电压监测电路模块采集高压稳定控制电路模块中的电流和电压信号；
嵌入式主控电路生成高压脉冲驱动控制时序给光耦隔离电路；
高压稳定控制电路模块产生高压，高压电源和滤波模块输入为低直流高电压，输出为直流型高电压给高压开关电路；
光耦隔离电路接收嵌入式主控电路发出的时序控制序列，并生成能够驱动高压开关电路的信号即高压功率信号，实现高压开关电路的有序导通，输出高压脉冲序列；
“光耦隔离电路、嵌入式主控电路以及高压开关电路”对低电压脉冲小信号进行电气隔离和功率放大，实现对高压功率信号的隔离驱动；
高压开关电路采用低边侧驱动方式，接收嵌入式主控电路生成的控制时序，经过光耦隔离电路驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大鹏，王红霞，戴阳，白邈，
申请(专利权)人：遨天科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11