本发明涉及一种多路固体推力器阵列控制驱动系统及方法，属于低成本卫星的姿态轨道控制领域。
背景技术
mems固体微推力器阵列为一种新型的集成化学推进器件，主要用于微型卫星的姿态和轨道控制，具有体积小、结构简单、功耗低、可控性强、集成度高、能够提供小而精确的冲量等优点，受到国内外研究机构的高度重视。
mems固体微推力器是基于mems技术的固体推进剂微推进系统，固体推进剂贮存在通过微加工制作而成的常压储腔中。利用mems技术可以在同一块芯片上集成多个可独立寻址的微推力器单元，通常为矩形阵列，它们能产生10-4-10-6ns的冲量脉冲，可满足微型卫星的轨道控制.如果将推力器可提供的最小脉冲称作一个“脉冲节”，那么这些推力器将能以“脉冲节”为单位，以一定逻辑功能产生推力。由于“脉冲节”很小，推力器可以对微型卫星的姿态连续地进行精确微调。
由于mems固体微推力器阵列往往集成度较高，因此需要特殊的控制驱动系统对其进行控制，以实现精确的比冲控制。药室中含有热熔丝，并与点火电路层有电气连接。将电源电压引入点火电路层特定引线位置，热熔丝经电流流过后温度升高，使药室推进剂引燃，从而实现该路点火。特殊的控制驱动系统的驱动方式包括矩阵式驱动方式和非矩阵式驱动方式，由于mems固体微推力器在制作中可能出现瑕疵，由于热熔丝接触不良等问题导致某路驱动电流无法导通，现有驱动控制系统仅能发送点火信号，无法反馈是否点火成功。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提出一种多路固体推力器阵列控制驱动系统及方法，通过向上位机反馈点火成功信号，使mems固体微推力器的控制更为灵活。
本发明的技术解决方案是：
一种多路固体推力器阵列控制驱动系统，包括上位机、电源模块、驱动模块、阵列模块和控制通信模块，上位机向控制通信模块发送点火指令，点火指令包括阵列模块的点火位置坐标或阵列模块的点火数量，控制通信模块接收点火指令，如果所接收的点火指令为阵列模块的点火位置坐标，则控制通信模块根据点火位置坐标在相应的i/o端产生脉冲信号；如果所接收的点火指令为阵列模块的点火数量，则控制通信模块自行判断阵列模块的点火位置坐标信息，根据点火位置坐标在相应的i/o端产生脉冲信号；驱动模块接收相应的脉冲信号，并驱动与脉冲信号对应的阵列模块与电源模块之间的功率开关的导通，电源模块中的电流流经电流检测电阻，使阵列模块相应坐标位置的热熔丝熔断，实现固体推力器阵列药仓的点火，控制通信模块内的电流检测电路对电流检测电阻上的电压进行实时采样，并将其转化为成功点火的数量信息，并将该数量信息传递给上位机，上位机对该数量信息与初始发送的点火位置信息的数量进行比对，如果比对结果不一致，则由上位机向控制通信模块补发送点火指令。
自行判断阵列模块的点火位置坐标信息的方法为：控制通信模块中自行存储已经点火的位置坐标信息及未点火的位置坐标信息，并在未点火的位置中优先按中心对称选取、若处在中心对称位置上点火点均已点火使用过，则按照预先设定的距离中心对称一定误差范围内选取相应数量的点火点，如果仍无法选出点火点，则将无法选出点火点的信息反馈给上位机。
按照预先设定的距离中心对称一定误差范围内选取相应数量的点火点的方法为：距离中心对称目标点距离相同的为一组待选取的点火点，按照由近及远的顺序，在误差范围内，在每组待选取的点火点中选择，通过预设的误差范围等级n作为控制通讯模块判断目标点火点坐标是否在误差范围内的依据。
预设的误差范围等级n与点火点坐标及目标点火点坐标间距离关系为：设多路固体推力器阵列两个相邻点火点间距为1，对于假设原点火点坐标位置为(i,j)；n＝0,系统不能接受点火点坐标存在误差，仅原点火点坐标满足要求；n＝1，系统可以接受除n＝0外距离原点火点坐标不超过1的点火点，即原点火点上、下、左、右四个相邻位置的点火点；n＝2，系统可以接受除n≤1外，原点火点左上，右上，左下，右下四个相邻的点火点，即坐标为(i+a,j+b),|a|＝1,|b|＝1；n＝3,系统可以接受除n≤2外，原点火点上、下、左、右距离为2的点火点，即坐标为(i+a,j)或(i,j+a)，|a|＝2；n＝4，系统可以接受除n≤3外，距离原点火点为
驱动模块由若干驱动单元并联构成，每个驱动单元包括一个三极管q1、一个场效应管v1、四个电阻为r1-r4，电阻r1的一端与电源连接，另一端与三极管q1的射极连接；电阻r2的一端与场效应管v1的栅极连接，另一端与三极管q1的射极连接；电阻r3的一端与控制通讯模块的i/o连接，另一端与三极管q1的基极连接；电阻r4的一端与三极管q1的基极连接，另一端与地连接；场效应管v1的源极与电源连接，漏极与推力器阵列热熔丝连接；三极管q1的集电极与地连接。
当控制通讯模块i/o的脉冲信号到达前，三极管q1为截止状态，场效应管v1的栅极通过电阻r1、r2与电源相连，为高电平，场效应管v1截止；当控制通讯模块i/o的高电平脉冲指令发出，三极管q1导通，使场效应管v1的栅极与地相连，场效应管v1导通，从而实现对推力器的加电。
电流检测电路包括一个运算放大器a1，五个电阻r1-r5，电阻r1一端与电流检测电阻的负极连接，另一端与运算放大器a1的负输入端连接；电阻r2一端与电流检测电阻的正极连接，另一端与运算放大器a1的正输入端连接；电阻r3一端与运算放大器a1的正输入端连接，另一端与地连接；电阻r4一端与运算放大器a1的负输入端连接，另一端与运算放大器a1的输出端连接；电阻r5一端与运算放大器a1的输出端连接，另一端与控制通讯模块连接。
当点火成功时，点火电流在电流采样电阻上产生电压差，运算放大器a1采样该电压差并进行调整放大，经运算放大器a1放大的电流采样信号传递给控制通讯模块，控制通讯模块根据电流采样信号的幅值判断成功点火的点火点的数量。
一种多路固体推力器阵列控制驱动方法，具体步骤为：
(1)上位机向控制通信模块发送点火指令，点火指令包括阵列模块的点火位置信息或阵列模块的点火数量信息；
(2)控制通信模块接收点火指令，如果所接收的点火指令为阵列模块的点火位置信息，则控制通信模块根据点火位置信息在相应的i/o端产生脉冲信号；如果所接收的点火指令为阵列模块的点火数量信息，则控制通信模块自行判断阵列模块的点火位置信息，根据点火位置信息在相应的i/o端产生脉冲信号；
(3)驱动模块接收相应的脉冲信号，并驱动与脉冲信号对应的阵列模块与电源模块之间的功率开关的导通，电源模块中的电流流经电流检测电阻，使阵列模块相应位置的热熔丝熔断，实现固体推力器阵列药仓的点火；
(4)控制通信模块对电流检测电阻上的电压进行实时采样，并将其转化为成功点火的数量信息，并将该数量信息传递给上位机；
(5)上位机对该数量信息与初始发送的点火位置信息的数量进行比对，如果比对结果不一致，则由上位机向控制通信模块补发送点火指令，执行步骤2-5，直至比对结果一致或阵列模块中所有点火点均使用为止。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)传统的mems微推力器控制系统在点火指令发出以后，无法获取mems微推力器是否点火成功的信息，本发明通过对点火电流进行采样，将该采样的电流信息反馈给上位机，从而可以直接反馈点火是否成功的信息，该点火电流采样电压的幅值可以计算获得成功点火数目的信息；
(2)传统的多路固体推力器阵列控制驱动系统需要上位机告知具体的点火点位置坐标，本发明可自行判断阵列模块的点火位置坐标信息，自行选择点火点，并进行点火。
附图说明
图1为本发明控制驱动系统示意图；
图2为本发明方法流程图；
图3为本发明多路固体推力器阵列点火点产生扰动力矩示意图，其中(a)为对称的点火点；(b)为不对称的点火点；
图4为本发明推力器阵列示意图；
图5为本发明驱动模块示意图；
图6为本发明电流检测电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
一种多路固体推力器阵列控制驱动系统，如图1所示，包括上位机、电源模块、驱动模块、阵列模块和控制通信模块，上位机向控制通信模块发送点火指令，点火指令包括阵列模块的点火位置坐标或阵列模块的点火数量，控制通信模块接收点火指令，如果所接收的点火指令为阵列模块的点火位置坐标，则控制通信模块根据点火位置坐标在相应的i/o端产生脉冲信号；如果所接收的点火指令为阵列模块的点火数量，则控制通信模块自行判断阵列模块的点火位置坐标信息，根据点火位置坐标在相应的i/o端产生脉冲信号；驱动模块接收相应的脉冲信号，并驱动与脉冲信号对应的阵列模块与电源模块之间的功率开关的导通，电源模块中的电流流经电流检测电阻，使阵列模块相应坐标位置的热熔丝熔断，实现固体推力器阵列药仓的点火，控制通信模块内的电流检测电路对电流检测电阻上的电压进行实时采样，并将其转化为成功点火的数量信息，并将该数量信息传递给上位机，上位机对该数量信息与初始发送的点火位置信息的数量进行比对，如果比对结果不一致，则由上位机向控制通信模块补发送点火指令。
自行判断阵列模块的点火位置坐标信息的方法为：控制通信模块中自行存储已经点火的位置坐标信息及未点火的位置坐标信息，并在未点火的位置中优先按中心对称选取、若处在中心对称位置上点火点均已点火使用过，则按照预先设定的距离中心对称一定误差范围内选取相应数量的点火点，如果仍无法选出点火点，则将无法选出点火点的信息反馈给上位机。
按照预先设定的距离中心对称一定误差范围内选取相应数量的点火点的方法为：距离中心对称目标点距离相同的为一组待选取的点火点，按照由近及远的顺序，在误差范围内，在每组待选取的点火点中选择，通过预设的误差范围等级n作为控制通讯模块判断目标点火点坐标是否在误差范围内的依据。
详细如图4所示，假设原点火点坐标为(6,5)，即图中标“0”的位置。标“1”，“2”，“3”，“4”，“5”的依次为误差范围n为1,2,3,4,5的点火点。具有相同误差范围等级的点火点距离原点火点距离相同，均在以原点火点为中心的同心圆上。
如图3所示，多路固体推力器阵列点火点不对称，会对卫星引入一个非理想的转动惯量扰动。对称的点火点不会对卫星产生扰动力矩，非对称的点火点会对卫星产生扰动力矩。不同的卫星型号受到多路固体推力器阵列点火点不对称造成的扰动影响不同，因此对多路固体推力器阵列点火点的对称性要求不同，例如体积较小重量较轻的卫星比较容易受到多路固体推力器阵列点火点不对称造成的扰动影响，对点火点的对称性要求就更高。可以依据卫星预设的误差范围等级，由控制系统自动选取符合误差范围等级的点火点，具体如下：
预设的误差范围等级n与点火点坐标及目标点火点坐标间距离关系为：设多路固体推力器阵列两个相邻点火点间距为1，对于假设原点火点坐标位置为(i,j)；n＝0,系统不能接受点火点坐标存在误差，仅原点火点坐标满足要求；n＝1，系统可以接受除n＝0外距离原点火点坐标不超过1的点火点，即原点火点上、下、左、右四个相邻位置的点火点；n＝2，系统可以接受除n≤1外，原点火点左上，右上，左下，右下四个相邻的点火点，即坐标为(i+a,j+b),|a|＝1,|b|＝1；n＝3,系统可以接受除n≤2外，原点火点上、下、左、右距离为2的点火点，即坐标为(i+a,j)或(i,j+a)，|a|＝2；n＝4，系统可以接受除n≤3外，距离原点火点为
本发明单个驱动模块的电路示意图如图5所示，驱动模块由若干驱动单元并联构成，每个驱动单元包括一个三极管q1、一个场效应管v1、四个电阻为r1-r4，电阻r1的一端与电源连接，另一端与三极管q1的射极连接；电阻r2的一端与场效应管v1的栅极连接，另一端与三极管q1的射极连接；电阻r3的一端与控制通讯模块的i/o连接，另一端与三极管q1的基极连接；电阻r4的一端与三极管q1的基极连接，另一端与地连接；场效应管v1的源极与电源连接，漏极与推力器阵列热熔丝连接；三极管q1的集电极与地连接。
当控制通讯模块i/o的脉冲信号到达前，三极管q1为截止状态，场效应管v1的栅极通过电阻r1、r2与电源相连，为高电平，场效应管v1截止；当控制通讯模块i/o的高电平脉冲指令发出，三极管q1导通，使场效应管v1的栅极与地相连，场效应管v1导通，从而实现对推力器的加电。
具体的，在信号触发前，npn型三极管q1为截止状态，p型mosfetv1的栅极通过r1、r2与电源相连，为高电平，v1截止；当控制器i/o的高电平脉冲指令发出，q1导通，使v1的栅极与地相连，v1导通，从而实现对微推力器的加电。通常mems微推力器的点火电源电压为10v-20v，而控制器多为数字电路，其i/o的输出电平为3.3v或5v。r3、r4与q1组成的信号放大电路使数字i/o可以用较低的电压信号驱动较高的电源电平，方便该驱动控制系统适用更多的应用场景。
如图6所示，电流检测电路包括一个运算放大器a1，五个电阻r1-r5，电阻r1一端与电流检测电阻的负极连接，另一端与运算放大器a1的负输入端连接；电阻r2一端与电流检测电阻的正极连接，另一端与运算放大器a1的正输入端连接；电阻r3一端与运算放大器a1的正输入端连接，另一端与地连接；电阻r4一端与运算放大器a1的负输入端连接，另一端与运算放大器a1的输出端连接；电阻r5一端与运算放大器a1的输出端连接，另一端与控制通讯模块连接。
当点火成功时，点火电流在电流采样电阻上产生电压差，运算放大器a1采样该电压差并进行调整放大，经运算放大器a1放大的电流采样信号传递给控制通讯模块，控制通讯模块根据电流采样信号的幅值判断成功点火的点火点的数量。
一种多路固体推力器阵列控制驱动方法，如图2所示，具体步骤为：
(1)上位机向控制通信模块发送点火指令，点火指令包括阵列模块的点火位置信息或阵列模块的点火数量信息；
(2)控制通信模块接收点火指令，如果所接收的点火指令为阵列模块的点火位置信息，则控制通信模块根据点火位置信息在相应的i/o端产生脉冲信号；如果所接收的点火指令为阵列模块的点火数量信息，则控制通信模块自行判断阵列模块的点火位置信息，根据点火位置信息在相应的i/o端产生脉冲信号；
(3)驱动模块接收相应的脉冲信号，并驱动与脉冲信号对应的阵列模块与电源模块之间的功率开关的导通，电源模块中的电流流经电流检测电阻，使阵列模块相应位置的热熔丝熔断，实现固体推力器阵列药仓的点火；
(4)控制通信模块对电流检测电阻上的电压进行实时采样，并将其转化为成功点火的数量信息，并将该数量信息传递给上位机；
(5)上位机对该数量信息与初始发送的点火位置信息的数量进行比对，如果比对结果不一致，则由上位机向控制通信模块补发送点火指令，执行步骤2-5，直至比对结果一致或阵列模块中所有点火点均使用为止。
相比较传统的mems微推力器控制系统在点火指令发出以后，无法获取mems微推力器是否点火成功的信息，本发明通过对点火电流进行采样，将该采样的电流信息反馈给上位机，从而可以直接反馈点火是否成功的信息，该点火电流采样电压的幅值可以计算获得成功点火数目的信息。传统的多路固体推力器阵列控制驱动系统需要上位机告知具体的点火点位置坐标，本发明可自行判断阵列模块的点火位置坐标信息，自行选择点火点，并进行点火，通过向上位机反馈点火成功信号，使mems固体微推力器的控制更为灵活。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。