一种卫星伺服机构的地面模拟系统的制作方法

1.本发明涉及卫星技术领域，尤其是一种卫星伺服机构的地面模拟系统。


背景技术：

2.近年来，随着各国对卫星系统建设的大力推进，中低轨道卫星得到了快速发展和应用。伺服机构作为卫星系统的重要组成部分，其展开过程的稳定性、展开位置的准确性以及整体机构的可靠性等性能水平对这种新型可折叠式空间光学成像系统的成功实现起着决定性的因素。同时由于卫星产品的工作环境严酷，对于这种机械结构，在空间运行时若发生故障一般是难以修复的；因此需要对展开机构进行大量的地面试验来验证其设计的合理性和性能的可靠性，包括展开试验、动力性能试验、热试验和振动试验等。空间卫星伺服系统的机构在设计、制造、组装完成后首要进行的是地面验证试验，用于验证机构可控展开和收拢、各机构组件之间的协同运动以及运动轨迹的正确性等，因此展开试验是其他性能试验的基础，针对伺服系统试验设计研制一套完善的测控系统是必要的。


技术实现要素：

3.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种卫星伺服机构的地面模拟系统；参与卫星伺服系统半实物仿真试验，解决卫星伺服系统的软件调试测试问题。
4.本发明公开了一种卫星伺服机构的地面模拟系统，其特征在于，包括模拟测控单元和模拟执行单元；
5.所述模拟执行单元，用于模拟卫星系统的多个天线和太阳能帆板；其中，每个模拟的天线和太阳能帆板在每个运动自由度上均对应一个伺服机构，在伺服机构中包括步进电机和传感器组件；
6.模拟测控单元，用于控制模拟的多个天线和太阳能帆板运动；监测所述传感器组件采集的传感信息，对步进电机进行闭环控制；并按照预先装订的天线或太阳能帆板的运动位置，对天线或太阳能帆板各运动自由度上对应的步进电机进行协同控制。
7.进一步地，所述模拟执行单元模拟的天线包括俯仰和方位两个运动自由度，由两套伺服机构对运动进行控制，模拟卫星天线对目标的跟踪和指向；所述模拟执行单元模拟的天线太阳能帆板包括伸缩和旋转两个运动自由度，由两套伺服机构对运动进行控制，模拟太阳能帆板的打开和旋转。
8.进一步地，所述模拟执行单元包括2个太阳能帆板模拟器和6个卫星天线模拟器；
9.2个太阳能帆板模拟器相对布置在模拟系统机柜的正面板和背面板上；
10.6个模拟的卫星天线模拟器包括4个异轨天线模拟器和2个馈线侧天线模拟器，模拟卫星的4个天线；
11.其中，4个异轨天线模拟器分别布置在模拟系统机柜的左右两个侧面板上，每一个侧面板上布置2个异轨天线模拟器；2个馈线侧天线模拟器布置在模拟系统机柜的顶面板上。
12.进一步地，所述传感器组件包括电机控制传感器组和监测信息传感器组；
13.所述电机控制传感器组包括磁编码器、霍尔传感器和数字式角位移传感器；
14.所述磁编码器，用于采集步进电机的转动角度；
15.所述霍尔传感器，用于采集步进电机母线的相电流；
16.所述数字式角位移传感器，用于采集所述伺服机构带动模拟的天线或太阳能帆板转动的角度；
17.监测信息传感器组包括微动开关、模拟采集电路和扭矩传感器；
18.所述微动开关，用于切换电机的运动模式，通过采集微动开关的状态可以确定步进电机的运动模式；
19.模拟采集电路，用于采集步进电机控制电路的电压及二次电源电压；
20.扭矩传感器，用于采集执行机构的输出力矩。
21.进一步地，所述模拟测控单元包括处理器模块和逻辑器模块；
22.所述处理器模块，用于通过解析的通信与指令信息和采集传感器信息，进行步进电机控制运算，输出步进电机的位置信号、速度信号、模式切换信号、功能地址选通指令、安全保护指令和系统中断分配信号到逻辑器模块；
23.所述逻辑器模块，用于根据所述处理器模块输出的指令和信号，产生与各步进电机对应的脉宽调制及细分输出信号、电机方向信号和电机使能信号。
24.进一步地，所述模拟测控单元采用zynq系统，zynq系统的ps部分实现所述处理器模块的功能，zynq系统的pl部分实现所述逻辑器模块的功能。
25.进一步地，zynq系统的ps部分运行arm程序，pl部分运行fpga程序，ps部分与pl部分之间通过axi并行数据总线进行交互，由pl部分实现axi并行数据总线通讯。
26.进一步地，所述ps部分使用uart和can寄存器配置外部通讯模式，进行内存和中断管理，采用处理器浮点运算进行电机闭环控制和电机协同控制；输出步进电机的位置信号、速度信号、模式切换信号、功能地址选通指令、安全保护指令和系统中断分配信号到pl部分；
27.所述pl部分根据所述处理器模块输出的指令和信号，产生控制各电机运动的脉宽调制及细分输出信号、电机方向信号和电机使能信号；并实现串行1553b通信接口和遥测通讯接口。
28.进一步地，所述电机的闭环控制采用四环控制，包括由电机内部的电流环、速度环、位置环路构成的三环控制，以及由数字式角位移传感器反馈的角度与输入的期望角度形成的外部位置环控制。
29.10、根据权利要求7所述的地面模拟系统，其特征在于，所述电机协同控制，按照预先装订的天线或太阳能帆板的运动位置，以运动路径最短为目标，对各自由度上的步进电机进行协同控制。
30.本发明的有益效果如下：
31.本发明的地面模拟系统电路规模小、功能可靠，实现了对卫星伺服机构的多台步进电机的精准控制和运行状态实时监测，极大地提高了卫星伺服机构的伸展、转位试验的测控效率。适用于伺服机构的地面模拟试验。
附图说明
32.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
33.图1为本实施例中的卫星伺服机构的地面模拟系统的组成示意图；
34.图2为本实施例中的天线和太阳能帆板位置结构示意图；
35.图3为本实施例中的天线和太阳能帆板位置结构示意正视图；
36.图4为本实施例中的zynq控制的16路电机的连接关系框图；
37.图5为本实施例中的电机的闭环控制框图。
具体实施方式
38.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
39.本实施例公开了一种卫星伺服机构的地面模拟系统，如图1所示，包括模拟测控单元、模拟执行单元、测试平台和伺服供电系统；
40.所述模拟执行单元，用于模拟卫星系统的多个天线和太阳能帆板；其中，每个模拟的天线和太阳能帆板在每个运动自由度上均对应一个伺服机构，在伺服机构中包括步进电机和传感器组件。
41.具体的，模拟的天线包括俯仰和方位两个运动自由度，由两套伺服机构对运动进行控制，模拟卫星天线对目标的跟踪和指向；所述模拟执行单元模拟的天线太阳能帆板包括伸缩和旋转两个运动自由度，由两套伺服机构对运动进行控制，模拟太阳能帆板的打开和旋转。
42.如图2和3所示，在本实施例中，模拟执行单元包括2个太阳能帆板模拟器和6个卫星天线模拟器；
43.2个太阳能帆板模拟器相对布置在模拟系统机柜的正面板和背面板上；由于遮挡关系，背面板上的太阳能帆板模拟器并未出现的图2、3中，在此进行说明。
44.6个模拟的卫星天线模拟器包括4个异轨天线模拟器和2个馈线侧天线模拟器，模拟卫星的4个天线；
45.其中，4个异轨天线模拟器分别布置在模拟系统机柜的左右两个侧面板上，每一个侧面板上布置2个异轨天线模拟器，两两相对；2个馈线侧天线模拟器布置在模拟系统机柜的顶面板上。
46.即，模拟执行单元包括控制模拟卫星天线的12台步进电机和控制模拟太阳能帆板的4台步进电机，共16台步进电机。
47.每个伺服机构中包括的传感器组件包括电机控制传感器组和监测信息传感器组；
48.所述电机控制传感器组包括磁编码器、霍尔传感器和数字式角位移传感器；用于对电机的转动进行闭环控制；
49.其中，
50.磁编码器安装在步进电机上，用于采集步进电机的转动角度；用于电机的速度环和位置环控制；
51.所述霍尔传感器安装在步进电机上，用于采集步进电机母线的相电流；进行电机
的电流环控制；
52.所述数字式角位移传感器安装在伺服机构上，用于采集所述伺服机构带动模拟的天线或太阳能帆板转动的角度。即可检测模拟的天线或太阳能帆板的转动情况，也可以作为外部采集信息对步进电机进行控制。
53.监测信息传感器组包括微动开关、模拟采集电路和扭矩传感器；
54.所述微动开关安装于每个模拟的天线或太阳能帆板的每个自由度的运动自轴端，用于对每个自由度的伺服机构的运动模式进行切换，例如，在微动开关为“开”的位置时，使该伺服机构在该自由度任意运动(如360
°
随意转动)，在维度开关为“关”的位置时，使该伺服机构在该自由度的限定范围内运动(如在设定角度内转动)；通过采集微动开关的状态可以确定伺服电机的运动模式；
55.模拟采集电路，用于采集电机控制电路的电压及二次电源电压；对电机工作时的电压进行监测。
56.扭矩传感器，用于采集在执行运动时的输出力矩。
57.在模拟执行单元中还包括由伺服机构带动执行运动的机械执行机构，这些机械结构可参照目前公开的卫星或卫星模拟器的带动卫星天线或太阳能帆板运动的机械执行机构，在此不做详细说明。
58.模拟测控单元，用于控制模拟的多个天线和太阳能帆板运动；监测所述传感器组件采集的传感信息，对步进电机进行闭环控制；并按照预先装订的天线或太阳能帆板的运动位置，对天线或太阳能帆板各运动自由度上对应的步进电机进行协同控制。
59.具体的，所述模拟测控单元包括处理器模块和逻辑器模块；
60.所述处理器模块，用于通过解析的通信与指令信息和采集传感器信息，进行步进电机控制运算，输出步进电机的位置信号、速度信号、模式切换信号、功能地址选通指令、安全保护指令和系统中断分配信号到逻辑器模块；
61.所述处理器模块可以采用，但不限于dsp或者arm等处理器。
62.所述逻辑器模块，用于根据所述处理器模块输出的指令和信号，产生与各步进电机对应的脉宽调制及细分输出信号、电机方向信号和电机使能信号；输出到伺服机构的步进电机细分器，去控制电机的转动。完成数字角位移传感器的can总线接收，实现多路步进电机的电流采集，系统供电数字电源的实时监测。
63.所述处理器模块可以采用，但不限于fpga模块。
64.优选的，所述模拟测控单元采用zynq系统，zynq系统的ps部分实现所述处理器模块的功能，zynq系统的pl部分实现所述逻辑器模块的功能。在zynq系统的ps部分运行arm程序，pl部分运行fpga程序，ps部分与pl部分之间通过axi并行数据总线进行交互，由pl部分实现axi并行数据总线通讯。
65.所述ps部分使用uart和can寄存器配置外部通讯模式，进行内存和中断管理，采用处理器浮点运算进行电机闭环控制和电机协同控制；输出步进电机的位置信号、速度信号、模式切换信号、功能地址选通指令、安全保护指令和系统中断分配信号到pl部分；
66.所述pl部分根据所述处理器模块输出的指令和信号，产生控制各电机运动的脉宽调制及细分输出信号、电机方向信号和电机使能信号；并实现串行1553b通信接口和遥测通讯接口。
67.更优选的，本实施例赛灵思公司的zynq系列的xc7z045芯片作为模拟测控单元的核心，它内部包含双核arm cortex-a9处理器和kintex-7的fpga。
68.其中，双核arm cortex-a9处理器，负责指令解析、模拟量采集、pid运算、工作模式决策，安全保护执行等；完成16个数字角位移传感器的can总线接收，实现16路电机的电流采集，系统供电数字电源的实时监测，步进电动机控制算法，角度的调零功能，判别伺服系统的故障模式并做出响应。
69.kintex-7的fpga则完成中断管理、功能地址分配、多路pwm的产生以及实时保护的功能；进行步进电机的细分，提高电机转动精度，并且分配多个机构的不同工作模式；实现16位axi并行数据总线通讯，负责电机驱动器所需要的16路脉宽调制及细分输出、16路电机方向信号和16路电机使能信号，实现精准的定时计数对步进电机细分器精准输出，串行1553b的控制和遥测通讯。具体的，由zynq控制的16路电机的连接关系框图如图4所示。
70.基于zynq的卫星伺服机构控制系统更具体的控制软件执行如图所示
71.本实施例在电机的闭环控制上，在传统三环控制的基础上引入了基于数字式角位移传感器采集数据的外环闭环控制，通过数字式角位移传感器采集伺服机构运动角度相对于目标的精确位置，提高了伺服机构的控制精度和抗干扰能力；
72.具体的，如图5所示，所述电机的闭环控制采用四环控制，包括由电机内部的电流环、速度环、位置环路构成的三环控制，以及由数字式角位移传感器反馈的角度与输入的期望角度形成的外部位置环控制。
73.由于模拟一个天线或太阳能帆板的运动需要两个步进电机在两个自由度协调运动，因此本实施例方案需要进行电机的协同控制，在电机的协同控制上，首先按照预先装订的天线或太阳能帆板的运动位置，以运动路径最短为目标，得到运动路径，对各自由度上的步进电机进行协同控制，使模拟的天线或太阳能帆板按照最短路径运动到装订的运动位置，通过协同控制可以减少电机的耗电量，加快运动速度。
74.图1中的测试平台包括工控机和在工控机上运行的上位机测试软件。
75.上位机监测软件主要功能：实现电机运动过程控制及参数显示，多电机多种运动模式的选择与切换，系统故障模拟输出。
76.上位机测试软件按照用户输入的设置参数对多电机的运动过程进行控制，通过将参数设置命令发送给模拟测控单元和模拟执行单元，满足模拟的天线和太阳能帆板在多种运动模式的选择与切换下，进行伸展、转位试验。并能够通过反馈数据，解析多种传感器数据实现对电机运动过程中各项运动参数(转速、转向、转动角度、限位状态，电源模拟量)等进行实时监测，同时实现动态显示电机工作的曲线图及数据存储。
77.上位机测试软件还可以模拟伺服系统自身故障：上位机能够利用卫星测试数据进行模拟机构故障模式的输入，以便测试星载计算机响应伺服机构的故障应急处理。如伺服系统的角位移反馈故障后，不能正常实现闭环控制，可以切换为步进电机细分计步的模式下工作。
78.图1中的伺服供电系统，首先将外部接入的220v交流电经过市电滤波器和空气开关进行隔离、滤波和保护后供给直流电源组，然后各个直流电源再将220v的交流电源转换成+5v，
±
12v，+28v的直流电源，并增加220v和28v的电源分配单元来便于接线。其中28v直流电源负责给16个电机的驱动器，同时机箱面板设计有急停开关来控制交流接触器的通断
以最终控制28v电源的开关，从而实现遇见紧急情况及时通断电，保证试验安全。
±
12v直流电源负责给电流采集板上的霍尔传感器供电，+5v电源为模拟测控单元、模拟执行单元使用。
79.综上所述，本实施例的控制电路和地面软硬件测控系统，电路规模小、功能可靠，实现了对卫星伺服机构的16台步进电机的精准控制和运行状态实时监测，极大地提高了卫星伺服机构的伸展、转位试验的测控效率。适用于伺服机构的地面模拟试验。
80.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。