一种涵道风扇恒扭矩输出控制器及卫星模拟器制造技术

本实用新型专利技术提供了一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，包括主控单元、电流采集单元、电压采集单元、AD转换单元、通讯单元、PWM驱动单元和电源管理单元，所述PWM驱动单元包括将TTL信号转换为COMS逻辑电平的电平转换芯片及其外围电路，所述电平转换芯片的输入端连接所述主控单元，输出端连接涵道风扇的电调器；所述电源管理单元包括多个电压转化芯片；所述电流采集单元为线性霍尔元件电流传感器，采集所述电源管理单元与所述PWM驱动单元之间连接线路上的电流信号；所述电压采集单元通过信号放大器芯片采集所述电源管理单元的电压信号并输出到主控芯片。本实用新型专利技术所述的控制器采用功率闭环控制方式，实现了涵道风扇的恒扭矩输出控制。

【技术实现步骤摘要】
一种涵道风扇恒扭矩输出控制器及卫星模拟器
本技术属于航天器地面全物理仿真推力试验、推力器地面模拟仿真
，尤其是涉及一种涵道风扇恒扭矩输出控制器及卫星模拟器。
技术介绍
在航天器控制系统地面全物理仿真试验中，多自由度气浮平台主要是在地面实现重力卸载，提供一个等同于空间失重状态航天器的全物理模拟器，从而为卫星编队飞行、变轨飞行、交会对接、小行星着陆等提供地面试验手段。在模拟试验过程中广泛应用的动力装置利用工质喷射产生反作用推力，并根据其推力矢量是否通过航天器质心，产生力或者同时产生力和力矩，既能用于姿态控制，又能用于轨道控制的应用，因其显著特点，在航天器轨道与姿态控制中具有不可替代的作用。常用的星上推进系统有冷气、单组元、双组元和电推进等几种方式。在航天器地面全物理仿真试验系统中，为了能够实现对航天器模拟器位置和姿态的控制，需要配备与星上热化学推进系统等值的推进系统，以满足试验系统要求。由于在地面试验中难以实际采用污染较大、成本很高的星上推进系统，因此需要设计结构简单、排气污染小的低成本推力器模拟装置。长时间以来，传统地面试验推力器均采用高压冷气推力器形式，但此类推力器存在如下明显的缺陷：(1)比冲小、耗气量极大，严重影响试验效率。以10N冷气推力器为例，其耗气流量可达1200L/min，而气浮轴承耗气量基本上在120L/min以下，两者相差10倍。某六自由度模拟器姿控平台气瓶总容积9L*3＝27L，供两组常压10N冷气推力器使用。T＝((25-5)*10*27)/(2*1200)≈2.25min气瓶为高压氮气瓶，一般情况下25MPa是充气最大限度，气瓶出口一般为5MPa，这样压差为20MPa，27L容积体积对应1个标准大气压约0.1013MPa下，因此气体实际总体积约为(25-5)*10*27L；因此，冷气推力器组是台上气源最大的输出端，由于高压充气过程非常繁琐、准备周期很长，因而严重影响了试验效率。(2)质心存在较大偏移，引起较大的干扰力矩。气体工质大量消耗会引起台体质心的较大偏移，由于三轴气浮球轴承对于质心偏移极为敏感，在试验初期均需要进行非常复杂的质心精密调平。但在试验过程中所产生的质心偏移，调平机构无法补偿，因此会产生非常明显的干扰力矩，对试验精度有较大影响。将涵道风扇安装在航天器地面模拟器上为其提供强大且恒定的推力，可以避免上述高压冷气推力器的缺点。但是，这要求涵道风扇结构紧凑且具有较大的输出扭矩保持能力。一般的涵道风扇扭矩输出以开环控制为主，该控制方式不仅使得扭矩输出的稳定性降低，而且扭矩控制实时性也得不到保障。
技术实现思路
有鉴于此，本技术旨在提出一种涵道风扇恒扭矩输出控制器及卫星模拟器，实现了涵道风扇的恒扭矩输出控制。为达到上述目的，本技术的技术方案是这样实现的：第一方面，本申请提供了一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，包括主控单元、电流采集单元、电压采集单元、AD转换单元、通讯单元、PWM驱动单元和电源管理单元，所述主控单元包括主控芯片及其外部集成的复位电路和时钟电路，所述复位电路通过轻触开关完成上电复位和故障复位功能，所述时钟电路采用外部晶振为主控芯片提供时钟信号；所述AD转换单元为所述主控芯片内置的ADC模块；所述PWM驱动单元包括将TTL信号转换为COMS逻辑电平的电平转换芯片及其外围电路，所述电平转换芯片的输入端连接所述主控单元，输出端连接涵道风扇的电调器；所述电源管理单元包括多个电压转化芯片，其输入端连接外部电池，输出端连接所述主控单元、PWM驱动单元、电流采集单元、电压采集单元，用于将输入的电池电压转换为所述控制器所需的多种电压；所述电流采集单元为线性霍尔元件电流传感器，采集所述电源管理单元与所述PWM驱动单元之间连接线路上的电流信号，并通过AD转换单元输出到所述主控芯片；所述电压采集单元包括信号放大器芯片及其外围电路，通过信号放大器芯片采集所述电源管理单元的电压信号并通过AD转换单元输出到所述主控芯片；所述主控单元通过通讯单元与上位机信号连接。第二方面，本申请提供了一种具有模拟推力器的卫星模拟器，所述模拟推力器包括若干上述的控制器的涵道风扇，多个所述涵道风扇安装于卫星模拟器的水平范围内的前后左右方向。相对于现有技术，本技术所述的控制器具有以下优势：(1)本技术的控制器实时获取涵道风扇的电压、电流运行参数，采用功率闭环控制方式，通过PID算法对输出功率进行控制，实现涵道风扇扭矩的稳定输出；同时保证了扭矩控制的实时性；(2)本技术的控制器实现恒扭矩输出控制，从而涵道推进装置利用电动涵道风扇其叶尖受涵道限制，诱导阻力减小，推力转换效率高，无需消耗气体工质，缩短了充气时间，试验过程中质心不会发生偏离变化，进一步简化了相应的控制问题，提高了试验精度；相关研发生产制造成本约为传统方式方法的20％，大幅节约了试验成本，经济效益显著。附图说明构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：图1为本技术实施例所述的控制器的结构框图；图2为本技术实施例所述的主控单元的电路图；图3为本技术实施例所述的电流采集单元的电路图；图4为本技术实施例所述的电压采集单元的电路图；图5为本技术实施例所述的通讯单元的电路图；图6为本技术实施例所述的PWM驱动单元的电路图；图7为本技术实施例所述的电源管理单元的电路图；图8为本技术实施例所述的控制器的主程序流程图；图9为本技术实施例所述的中断程序流程图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。本提案中的涵道风扇安装于卫星模拟器的水平范围内前后左右方向，等效于冷气喷嘴安装于卫星本体上，作用即模拟卫星姿态调整、轨道转移等控制过程的推力器。本实施例的一种涵道风扇闭环控制器的组成框图如图1所示，其硬件部分由主控单元、电流采集单元、电压采集单元、AD(AnalogtoDigital)转换单元、通讯单元、PWM(PulseWidthModulation)驱动单元和电源管理单元七部分构成，下面结合具体的电路图详细介绍其内部连接关系：图1为所述控制器电路结构示意图，控制器外部保留了+24V电池供电接口、PWM驱动接口和RS-232通讯接口，控制器内部集成主控单元、电流采集单元、电压采集单元、AD转换单元、通讯单元、PWM驱动单元和电源管理单元。图2为所述主控单元的电路图，主控单元主要负责控制器的数据处理。主控单元以TMS320F28335(DSP)为控制核心，外部集成复位电路和时钟电路。复位电路通过轻触开关完成上电复位和故障复位功能；时钟电路采用3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：包括主控单元、电流采集单元、电压采集单元、AD转换单元、通讯单元、PWM驱动单元和电源管理单元，/n所述主控单元包括主控芯片及其外部集成的复位电路和时钟电路，所述复位电路通过轻触开关完成上电复位和故障复位功能，所述时钟电路采用外部晶振为主控芯片提供时钟信号；所述AD转换单元为所述主控芯片内置的ADC模块；/n所述PWM驱动单元包括将TTL信号转换为COMS逻辑电平的电平转换芯片及其外围电路，所述电平转换芯片的输入端连接所述主控单元，输出端连接涵道风扇的电调器；/n所述电源管理单元包括多个电压转化芯片，其输入端连接外部电池，输出端连接所述主控单元、PWM驱动单元、电流采集单元、电压采集单元，用于将输入的电池电压转换为所述控制器所需的多种电压；/n所述电流采集单元为线性霍尔元件电流传感器，采集所述电源管理单元与所述PWM驱动单元之间连接线路上的电流信号，并通过AD转换单元输出到所述主控芯片；/n所述电压采集单元包括信号放大器芯片及其外围电路，通过信号放大器芯片采集所述电源管理单元的电压信号并通过AD转换单元输出到所述主控芯片；/n所述主控单元通过通讯单元与上位机信号连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：包括主控单元、电流采集单元、电压采集单元、AD转换单元、通讯单元、PWM驱动单元和电源管理单元，
所述主控单元包括主控芯片及其外部集成的复位电路和时钟电路，所述复位电路通过轻触开关完成上电复位和故障复位功能，所述时钟电路采用外部晶振为主控芯片提供时钟信号；所述AD转换单元为所述主控芯片内置的ADC模块；
所述PWM驱动单元包括将TTL信号转换为COMS逻辑电平的电平转换芯片及其外围电路，所述电平转换芯片的输入端连接所述主控单元，输出端连接涵道风扇的电调器；
所述电源管理单元包括多个电压转化芯片，其输入端连接外部电池，输出端连接所述主控单元、PWM驱动单元、电流采集单元、电压采集单元，用于将输入的电池电压转换为所述控制器所需的多种电压；
所述电流采集单元为线性霍尔元件电流传感器，采集所述电源管理单元与所述PWM驱动单元之间连接线路上的电流信号，并通过AD转换单元输出到所述主控芯片；
所述电压采集单元包括信号放大器芯片及其外围电路，通过信号放大器芯片采集所述电源管理单元的电压信号并通过AD转换单元输出到所述主控芯片；
所述主控单元通过通讯单元与上位机信号连接。


2.根据权利要求1所述的一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：所述控制器的外部保留了+24V电池供电接口、PWM驱动接口和RS-232通讯接口，分别连接电源管理单元、PWM驱动单元和通讯单元。


3.根据权利要求1所述的一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：所述主控单元的主控芯片采用TMS320F28335芯片，TMS320F28335的VSS引脚接GND，VDD引脚接+1.8V，VDDIO引脚接+3.3V，选用30MHz晶振，晶振的1、2引脚分别接主控芯片的102和104引脚，并采用电容C1、C2进行滤波，主控芯片的RST引脚和MR引脚接+3.3V上拉，上拉电阻R1为4.7K。


4.根据权利要求1所述的一种涵道风扇恒扭矩输出控制器，其特征在于：所述PWM驱动单元通过MC14504BD芯片完成电平信号的转换，MC14504BD的1、16引脚接+5V电源，9引脚接+15V电源，8引脚接地，2引脚接主控芯片的PWM输出引脚，并通过R18进行下拉，17引脚为PWM输出引脚，通过外接电阻R19进行限流。


5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，黄磊，郝永波，王利桐，
申请(专利权)人：天津航天机电设备研究所，
类型：新型
国别省市：天津;12