一种空间微牛级电推进控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种空间微牛级电推进控制系统，包括：指令解析模块，遥测采集模块，推力转换模块，推力控制模块和DA控制模块；指令解析模块用于解析卫星平台发送的指令，将解析的参数输出到推力控制模块；遥测采集模块用于控制AD采集芯片，采集推力器反馈的电压和电流，并将采集的电压和电流进行均值处理，将处理后的电压和电流发送至推力转换模块；推力转换模块用于将接收到的均值处理后的电压和电流转换为对应的推力值，发送至推力控制模块；推力控制模块通过选择使用开环控制或者闭环控制实现推力控制，基于接收的数据计算电压值，将电压值输出至DA芯片控制模块；DA芯片控制模块用于将接收的电压值转换为N值，输出到DA芯片，实现微牛级推力输出到推力器。

【技术实现步骤摘要】
一种空间微牛级电推进控制系统
本专利技术涉及航空航天以及SOC设计领域，特别涉及一种空间微牛级电推进控制系统。
技术介绍
随着全球引力波探测计划的开展以及高精度对地观测和卫星导航等空间任务在精度、噪声等方面的需求提高，具有高精度、高分辨率和宽范围的微牛级推力推进技术成为迫切需要。空间微牛级推进技术的应用需求主要包括两个方面：一类是无拖曳控制卫星平台，用于空间引力波探测等；另一类是超高精度控制卫星平台，用于高精度空间导航、观测等任务。目前国内外的推进技术主要有冷气推进技术、电喷雾推进技术、射频离子推进技术、霍尔电推进技术等。电推进技术相较于冷气推进技术，具有比冲高、推力小且精确可调、寿命长等优点。随着电推进技术的不断发展，基于流量或电流反馈、实时调节技术是未来高精度航天器控制的主流技术之一，因此需要发展基于闭环控制的电推进技术。国内对于电推进的闭环控制方法均是通过simulink等仿真工具进行实现，但无法应用于航空航天设备中；通过软件实现，则具有控制效率低、出现程序跑飞误控等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空间微牛级电推进控制系统，通过FPGA实现快速高精度的电压电流采集，通过采集到的电压电流实现推力闭环控制，提高推进器的推力范围和精度，降低推力噪声，并且增加分段式线性开环控制提供推力控制的可靠性。该系统已成功用于2019年发射的“太极一号”的射频离子微推进系统中，在国际上首次实现微牛级射频离子微推进技术的在轨验证。此外，本专利技术提供了一个通用化的闭环控制方案，能够适用于大部分电推进器，实现通用化设计。为实现上述目的，本专利技术提出了一种空间微牛级电推进控制系统，分别与卫星平台、推力器的外围AD采集芯片及DA芯片连接，所述系统包括：指令解析模块，遥测采集模块，推力转换模块，推力控制模块和DA控制模块；所述指令解析模块，用于解析卫星平台发送的指令，将解析得到的参数通过APB总线输出到推力控制模块；所述遥测采集模块，用于控制AD采集芯片，采集推力器反馈的电压和电流，并将采集的电压和电流进行均值处理，将处理后的电压和电流发送至推力转换模块；所述推力转换模块，用于将接收到的均值处理后的电压和电流转换为对应的推力值，发送至推力控制模块；所述推力控制模块，用于选择使用开环控制或者闭环控制实现推力控制，基于接收的数据计算电压值，将电压值输出至DA芯片控制模块；所述DA芯片控制模块，用于将接收的电压值转换为N值，输出到DA芯片，从而实现微牛级推力输出到推力器。作为上述系统的一种改进，所述系统还包括遥测打包模块，用于接收所述指令解析模块发送的遥测数据，以及所述遥测采集模块发送的均值处理后的电压和电流，打包后发送至卫星平台进行实时观测和数据分析。作为上述系统的一种改进，所述指令解析模块解析得到的参数包括：配置的推力值、电压最大输出值Vmax、开环控制的所有系数、闭环控制使能信号和PID控制参数。作为上述系统的一种改进，所述推力控制模块包括开/闭环选通单元、推力闭环控制单元和推力开环控制单元；所述开/闭环选通单元，用于判断闭环控制的使能信号是否为1，若为是，则启动推力闭环控制单元；否则，启动推力开环控制单元；所述推力闭环控制单元，用于采用闭环控制，基于闭环控制的PID控制参数、所述推力转换模块发送的推力值以及配置的推力值，通过PID控制计算电压值，输出到DA芯片控制模块；所述推力开环控制单元，用于采用开环控制，基于开环控制所有系数以及配置的推力值直接计算电压值，输出到DA芯片控制模块。作为上述系统的一种改进，所述推力闭环控制单元通过PID控制算法计算推力对应的电压值，计算公式如下：V(n)＝V(n-1)+ΔV(n)其中，V(n-1)为前一个采样周期的推力闭环控制单元输出的电压值；ΔV(n)为PID控制中的过程变量，T(n)为配置的当前采样周期的推力值，T(n-1)为前一个采样周期配置的推力值，为所述推力转换模块发送的前一个采样周期的推力器反馈的推力值，为所述推力转换模块发送的前两个采样周期的推力器反馈的推力值，Δt为采样周期，Kp为PID控制的P参数，Ki为PID控制的I参数，Kd为PID控制的D参数；作为上述系统的一种改进，所述推力闭环控制单元的闭环控制过程为：步骤T1)接收到推力转换模块发送的前一个采样周期的推力器反馈的推力值在推力转换模块中已左移8位，将T(n)左移4位，计算减法通过32位有符号加法器实现；步骤T2)计算并左移4位，为实际值左移20位，乘法通过32位有符号乘法器实现；步骤T3)将Δt左移8位，计算Ki×Δt，为实际值左移16位；步骤T4)计算Ki×Δt×T(n)，为实际值左移20位；步骤T5)计算为实际值左移8位；并计算为实际值左移20位；步骤T6)从寄存器中取出计算为实际值左移8位；步骤T7)计算并左移4位，为实际值左移20位；步骤T8)计算为实际值左移20位；步骤T9)从寄存器中取出前一次闭环控制计算所得的电压值V(n-1)，计算V(n)＝V(n-1)+ΔV(n)，V(n-1)为实际值左移20位；步骤T10)判断V(n)的最高位是否为1，若为是，表示V(n)为负，则V(n)输出置为0；否则，判断V(n)的值是否大于电压输出最大值Vmax，若为是，将Vmax到输出到DA芯片控制模块；否则，将V(n)输出到DA芯片控制模块。作为上述系统的一种改进，所述推力开环控制单元通过分段线性计算电压值，计算公式如下：其中，a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4为配置的开环控制的系数，T(n)为配置的当前采样周期的推力值，V(n)为推力对应输出到DA芯片控制模块的电压值。作为上述系统的一种改进，所述推力开环控制单元的开环控制过程为：步骤S1)检测T(n)是否小于等于240uN，若为是，令V(n)＝a1×T(n)+b1，这里的a1×T(n)通过32位有符号乘法器实现，由于a1×T(n)为实际值左移12位，因此b1需再左移4位后计算a1×T(n)+b1，加法通过32位有符号加法器实现；否则，进入步骤S2)；步骤S2)检测T(n)是否小于等于480uN，若为是，令V(n)＝a2×T(n)+b2，否则，进入步骤S3)；步骤S3)检测T(n)是否小于等于720uN，若为是，令V(n)＝a3×T(n)+b3，否则，令V(n)＝a4×T(n)+b4；步骤S4)将V(n)左移8位，步骤S5)比较V(n)与电压最大输出值Vmax，若大于Vmax，将Vmax到输出到DA芯片控制模块；否则，将V(n)输出到DA芯片控制模块。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术能够实时调节PID参数，实现在轨更新参数的功能，针对不同的控制系统可灵活选择是否需要积分控制；2、本专利技术将电推进控制方法通过FPGA实现，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间微牛级电推进控制系统，分别与卫星平台、推力器的外围AD采集芯片及DA芯片连接，其特征在于，所述系统包括：指令解析模块，遥测采集模块，推力转换模块，推力控制模块和DA控制模块；/n所述指令解析模块，用于解析卫星平台发送的指令，将解析得到的参数通过APB总线输出到推力控制模块；/n所述遥测采集模块，用于控制AD采集芯片，采集推力器反馈的电压和电流，并将采集的电压和电流进行均值处理，将处理后的电压和电流发送至推力转换模块；/n所述推力转换模块，用于将接收到的均值处理后的电压和电流转换为对应的推力值，发送至推力控制模块；/n所述推力控制模块，用于选择使用开环控制或者闭环控制实现推力控制，基于接收的数据计算电压值，将电压值输出至DA芯片控制模块；/n所述DA芯片控制模块，用于将接收的电压值转换为N值，输出到DA芯片，从而实现微牛级推力输出到推力器。/n

【技术特征摘要】
1.一种空间微牛级电推进控制系统，分别与卫星平台、推力器的外围AD采集芯片及DA芯片连接，其特征在于，所述系统包括：指令解析模块，遥测采集模块，推力转换模块，推力控制模块和DA控制模块；
所述指令解析模块，用于解析卫星平台发送的指令，将解析得到的参数通过APB总线输出到推力控制模块；
所述遥测采集模块，用于控制AD采集芯片，采集推力器反馈的电压和电流，并将采集的电压和电流进行均值处理，将处理后的电压和电流发送至推力转换模块；
所述推力转换模块，用于将接收到的均值处理后的电压和电流转换为对应的推力值，发送至推力控制模块；
所述推力控制模块，用于选择使用开环控制或者闭环控制实现推力控制，基于接收的数据计算电压值，将电压值输出至DA芯片控制模块；
所述DA芯片控制模块，用于将接收的电压值转换为N值，输出到DA芯片，从而实现微牛级推力输出到推力器。


2.根据权利要求1所述的空间微牛级电推进控制系统，其特征在于，所述系统还包括遥测打包模块，用于接收所述指令解析模块发送的遥测数据，以及所述遥测采集模块发送的均值处理后的电压和电流，打包后发送至卫星平台进行实时观测和数据分析。


3.根据权利要求1或2所述的空间微牛级电推进控制系统，其特征在于，所述指令解析模块解析得到的参数包括：配置的推力值、电压最大输出值Vmax、开环控制的所有系数、闭环控制使能信号和PID控制参数。


4.根据权利要求3所述的空间微牛级电推进控制系统，其特征在于，所述推力控制模块包括开/闭环选通单元、推力闭环控制单元和推力开环控制单元；
所述开/闭环选通单元，用于判断闭环控制的使能信号是否为1，若为是，则启动推力闭环控制单元；否则，启动推力开环控制单元；
所述推力闭环控制单元，用于采用闭环控制，基于闭环控制的PID控制参数、所述推力转换模块发送的推力值以及配置的推力值，通过PID控制计算电压值，输出到DA芯片控制模块；
所述推力开环控制单元，用于采用开环控制，基于开环控制所有系数以及配置的推力值直接计算电压值，输出到DA芯片控制模块。


5.根据权利要求4所述的空间微牛级电推进控制系统，其特征在于，所述推力闭环控制单元通过PID控制算法计算推力对应的电压值，计算公式如下：
V(n)＝V(n-1)+ΔV(n)



其中，V(n-1)为前一个采样周期的推力闭环控制单元输出的电压值；ΔV(n)为PID控制中的过程变量，T(n)为配置的当前采样周期的推力值，T(n-1)为前一个采样周期配置的推力值，为所述推力转换模块发送的前一个采样周期的推力器反馈的推力值，为所述推力转换模块发送的前两个采样周期的推力器反馈的推力值，Δt为采样周期，K...

【专利技术属性】
技术研发人员：高润莲，杨双，薛长斌，贺建武，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11