专利名称：一种用于脉冲等离子体推力器的电路的制作方法
技术领域：
本技术属于电推进领域，涉及一种用于脉冲等离子体推力器的电路，具体涉及自 动控制等电路技术。
背景技术：
电推进等空间用微小推力发动机技术在航天领域应用广泛。由于空间应用的推力 器要求比冲高，质量小，对推力器的设计带来很大困难。脉冲等离子体推力器的电源处理单 元占推力器质量的绝大部分，推力器的性能也跟电路的特点密切相关。现阶段的研究成果 有利用反击式开关变换器产生高压的电路，这种电路较为复杂，点火控制不精确。具体参见 《40J脉冲等离子体推力器性能研究》，胡宗森，2002. 6。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将卫星上低压直流变换为高压脉冲，对储能电容充 电，并引入反馈控制电压的用于脉冲等离子体推力器的电路，包括点火电路，储能电路和控 制电路。点火电路用来将卫星母线电源(Vl)变换为高压脉冲对点火电容(Cl)充电，在接 收到点火信号后对火花塞放电；储能电路用来将卫星母线电源(Vl)变换为高压脉冲对储能电容(C2)充电；控制电路用来发出斩波信号进行电压变换，监测点火电路中的点火电容(Cl)和 储能电路中的储能电容(C2)的电压并发出点火信号。所述点火电路包括脉冲变压器(Tl)与(T2)，开关晶体管(Ql)与(Q2)，点火电容 (Cl)，钳位二极管(Dl)与(D5)、束流二极管(D2)、气体放电管(a)与(b)，分压电阻(Rl)、 采样电阻(R2)和火花塞；其中，卫星母线电源(Vl)为低压直流电源，卫星母线电源(Vl)与 脉冲变压器(Tl)初级线圈和开关晶体管(Ql)串联，脉冲变压器(Tl)次级线圈与钳位二极 管(Dl)和点火电容(Cl)串联，分压电阻(Rl)和采样电阻(R2)串联后与点火电容(Cl)并 联，钳位二极管(D5)与气体放电管(a)、气体放电管(b)、火花塞串联后与点火电容(Cl)并 联，分压电阻(Rl)和采样电阻(R2)连接点引出采样电压；卫星母线电源(Vl)与脉冲变压 器(T2)初级线圈和开关晶体管(Q2)串联，脉冲变压器(T2)次级线圈与束流二极管(D2) 和气体放电管(a)串联。储能电路包括脉冲变压器(T3)，开关晶体管(Q3)，钳位二极管(D3)、(D4)，储能电 容(C2)，分压电阻(R3)、采样电阻(R4)、限流电阻(R5)和气体放电管(c)；卫星母线电源 (Vl)与脉冲变压器(T3)初级线圈和开关晶体管(Q3)串联，脉冲变压器(T3)次级线圈与 钳位二极管(D3)和储能电容(C2)串联，分压电阻(R3)与采样电阻(R4)串联后与储能电 容(C2)并联，气体放电管(c)与限流电阻(R5)串联后与储能电容(C2)并联，钳位二极管 (D4)与储能电容(C2)并联，分压电阻(R3)与采样电阻(R4)的连接点引出采样电压。控制电路包括ATmegal6型单片机，电压比较器(U 1)、(U2)，稳压管(D6)、(D7)，电位器(R6)、(R7)，限流电阻(R8)、分压电阻(R9)、(RlO)、(Rll)、限流电阻(R12)，驱动三极管 (Q4)、(Q5)、(Q6)，控制信号电源(V2)和标准直流电源(V3)。其中，电压比较器(Ul)负输 入端接电位器(R6)，正输入端与点火电路中分压电阻(R1)、采样电阻(R2)连接点连接；电 压比较器(Ul)输出端串联限流电阻(R8)和稳压管(D6)，稳压管(D6)两端引出电压接单片 机输入引脚(8)；电压比较器(U2)负输入端接电位器(R7)，正输入端与储能电路中分压电 阻(R3)、采样电阻(R4)的连接点连接；电压比较器(U2)输出端串联限流电阻(R12)和稳压 管(D7)，稳压管(D7)两端引出电压接单片机输入引脚(4)；电压比较器(Ul)和电压比较器 (U2)使用标准直流电源(V3)供电，标准直流电源(V3)并联在电位器(R6)、(R7)两端；单 片机使用稳压电源(VCC)供电，标准直流电源(V3)与单片机共地，点火电路(1)中的点火 电容(Cl)、储能电路(2)中的储能电容(C2)的低压端与单片机共地；单片机输出引脚⑴ 与驱动三极管(Q4)、分压电阻(R9)、控制信号电源(V2)串联；单片机输出引脚(3)与驱动 三极管(Q5)、分压电阻(RlO)、控制信号电源(V2)串联；单片机输出引脚(2)与驱动三极管 (Q6)、分压电阻(Rll)、控制信号电源(V2)串联；控制信号电源(V2)正极接地，负极与卫星 母线电源(Vl)负极连接；分压电阻(R9)与驱动三极管(Q4)的连接点与储能电路中开关晶 体管(Q3)控制极连接；分压电阻(RlO)高压端接开关晶体管(Q2)控制极；分压电阻(Rll) 高压端接开关晶体管(Ql)控制极。电路工作时，控制电路中的单片机输出斩波信号，通过点火电路与储能电路中的 脉冲变压器对点火电容(Cl)与储能电容(C2)充电。在两个电压比较器正输入端的采样电 压分别达到设定的点火电压与储能电压时，单片机停止输出斩波信号，经过一个设定的延 迟时间，单片机输出点火信号，点火信号通过储能电路中的脉冲变压器(T3)产生触发脉冲 高压电，脉冲高压电放电击穿气体放电管(b)产生电火花，引发点火。本发明能够准确、快 速、可控的实现电源转换。本发明应的优点在于1、本发明电路中采用脉冲变压器，高压与低压隔离，对卫星母线电压影响小；2、本发明电路中通过脉冲高压电放电击穿气体放电管产生电火花，引发点火，可 精确控制点火频率；3、本发明引入反馈控制，监测点火电容和储能电容电压，防止电压过高对电容造 成损害，具有过压保护功能。
图1是本发明电路的电路原理图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。本发明提供一种用于脉冲等离子体推力器的电路，主要由点火电路1，储能电路2 和控制电路3组成，如图1所示。点火电路1用来将卫星母线电源Vl变换为高压脉冲对点火电容Cl充电，在接收 到点火信号后对火花塞放电。储能电路2用来将卫星母线电源Vl变换为高压脉冲对储能电容C2充电。
控制电路3用来发出斩波信号进行电压变换，监测点火电路1中的点火电容Cl和 储能电路2中的储能电容C2的电压并发出点火信号。所述点火电路1包括脉冲变压器Tl与T2，开关晶体管Ql与Q2，点火电容Cl，钳 位二极管Dl与D5、束流二极管D2、气体放电管a与b，分压电阻R1、采样电阻R2和火花塞。 其中，卫星母线电源Vl为低压直流电源，卫星母线电源Vl与脉冲变压器Tl初级线圈和开 关晶体管Ql串联，脉冲变压器Tl次级线圈与钳位二极管Dl和点火电容Cl串联，分压电阻 Rl和采样电阻R2串联后与点火电容Cl并联，钳位二极管D5与气体放电管a、气体放电管 b、火花塞串联后与点火电容Cl并联，分压电阻Rl和采样电阻R2连接点引出采样电压；卫 星母线电源Vl与脉冲变压器T2初级线圈和开关晶体管Q2串联，脉冲变压器T2次级线圈 与束流二极管D2和气体放电管a串联。储能电路2包括脉冲变压器T3，开关晶体管Q3，钳位二极管D3、D4，储能电容C2， 分压电阻R3、采样电阻R4、限流电阻R5和气体放电管C。卫星母线电源Vl与脉冲变压器 T3初级线圈和开关晶体管Q3串联，脉冲变压器T3次级线圈与钳位二极管D3和储能电容 C2串联，分压电阻R3与采样电阻R4串联后与储能电容C2并联，气体放电管c与限流电阻 R5串联后与储能电容C2并联，钳位二极管D4与储能电容C2并联，分压电阻R3与采样电阻 R4的连接点引出采样电压。由于脉冲变压器T1、T2和T3的使用，变压器次级的高压电路与变压器初级的低压 电路存在物理隔离，变压器次级电路的高压脉冲不会影响变压器初级电路中电子元件的工 作，故减小了对卫星母线电压的影响。控制电路3包括ATmegal6型单片机，电压比较器U1、U2，稳压管D6、D7，电位器R6、 R7,限流电阻R8、分压电阻R9、RIO、Rl 1、限流电阻Rl2，驱动三极管Q4、Q5、Q6，控制信号电 源V2和标准直流电源V3。其中，单片机使用1、2、3、4、8引脚，其它引脚悬空。电压比较器 Ul负输入端接电位器R6，正输入端与点火电路1中分压电阻R1、采样电阻R2连接点连接， 此连接点电压为点火电路的反馈控制电压。输出端串联限流电阻R8和稳压管D6，稳压管 D6两端引出电压接单片机输入引脚8 ；电压比较器U2负输入端接电位器R7，正输入端与储 能电路2中分压电阻R3、采样电阻R4的连接点连接，此连接点处的电压为储能电路的反馈 控制电压。电压比较器U2输出端串联限流电阻R12和稳压管D7，稳压管D7两端引出电压 接单片机输入引脚4 ；电压比较器Ul和电压比较器U2使用标准直流电源V3供电，标准直 流电源V3并联在电位器R6、R7两端；单片机使用稳压电源VCC供电，标准直流电源V3与单 片机共地，点火电路1中的点火电容Cl、储能电路2中的储能电容C2的低压端与单片机共 地；单片机输出引脚1与驱动三极管Q4、分压电阻R9、控制信号电源V2串联；单片机输出引 脚3与驱动三极管Q5、分压电阻R10、控制信号电源V2串联；单片机输出引脚2与驱动三极 管Q6、分压电阻R11、控制信号电源V2串联；控制信号电源V2正极接地，负极与卫星母线电 源Vl负极连接；分压电阻R9与驱动三极管Q4的连接点与储能电路2中开关晶体管Q3控 制极连接；分压电阻RlO高压端接开关晶体管Q2控制极；分压电阻Rll高压端接开关晶体 管Ql控制极。电路工作时，控制电路3中的1脚和2脚持续输出斩波信号，分别通过点火电路1 中的脉冲变压器Tl与储能电路2中的脉冲变压器T3对点火电容Cl充电与储能电容C2充 电，当电压比较器Ul正输入端的采样电压达到设定的点火电压时，2脚停止输出斩波信号，当电压比较器U2正输入端的采样电压达到设定的储能电压时，1脚停止输出斩波信号，使 点火电容Cl、储能电容C2两端电压维持在一个恒定的水平，防止充电电压过高对电容造成 损坏。电容C2两端并联有放电管c，若储能电容C2电压过高将会击穿放电管c放电，形成 对电容的过压保护。经过一个设定的延迟时间，单片机3脚输出点火信号，点火信号通过脉 冲变压器T2产生触发脉冲高压电，脉冲高压电放电击气体放电管b产生电火花。
通过编程可以控制单片机1脚和2脚输出斩波信号的频率、改变设定的延迟时间， 进而控制点火频率，点火电压，储能电压。其中，点火频率为每秒钟火花塞打火的次数，点火 频率最高2Hz ；点火电压为点火电容两端电压，点火电压为3kV，储能电压为储能电容两端 电压。储能电压为2kV。
权利要求
一种用于脉冲等离子体推力器的电路，其特征在于包括点火电路，储能电路和控制电路；点火电路用来将卫星母线电源(V1)变换为高压脉冲对点火电容充电(C1)，在接收到点火信号后对火花塞放电；储能电路用来将卫星母线电源(V1)变换为高压脉冲对储能电容(C2)充电；控制电路用来发出斩波信号进行电压变换，监测点火电路中的点火电容(C1)和储能电路中的储能电容(C2)的电压并发出点火信号。
2.如权利要求1所述一种用于脉冲等离子体推力器的电路，其特征在于所述点火电 路包括脉冲变压器(Tl)与(T2)，开关晶体管(Ql)与(Q2)，点火电容(Cl)，钳位二极管(Dl) 与(D5)、束流二极管(D2)、气体放电管(a)与(b)，分压电阻(Rl)、采样电阻(R2)和火花塞； 其中，卫星母线电源(Vl)为低压直流电源，卫星母线电源(Vl)与脉冲变压器(Tl)初级线 圈和开关晶体管(Ql)串联，脉冲变压器(Tl)次级线圈与钳位二极管(Dl)和点火电容(Cl) 串联，分压电阻(Rl)和采样电阻(R2)串联后与点火电容(Cl)并联，钳位二极管(D5)与气 体放电管(a)、气体放电管(b)、火花塞串联后与点火电容(Cl)并联，分压电阻(Rl)和采样 电阻(R2)连接点引出采样电压；卫星母线电源(Vl)与脉冲变压器(T2)初级线圈和开关晶 体管(Q2)串联，脉冲变压器(T2)次级线圈与束流二极管(D2)和气体放电管(a)串联。
3.如权利要求1所述一种用于脉冲等离子体推力器的电路，其特征在于储能电路包 括脉冲变压器(T3)，开关晶体管(Q3)，钳位二极管(D3)、(D4)，储能电容(C2)，分压电阻 (R3)、采样电阻(R4)、限流电阻(R5)和气体放电管(c)；卫星母线电源(Vl)与脉冲变压器 (T3)初级线圈和开关晶体管(Q3)串联，脉冲变压器(T3)次级线圈与钳位二极管(D3)和储 能电容(C2)串联，分压电阻(R3)与采样电阻(R4)串联后与储能电容(C2)并联，气体放电 管(c)与限流电阻(R5)串联后与储能电容(C2)并联，钳位二极管(D4)与储能电容(C2) 并联，分压电阻(R3)与采样电阻(R4)的连接点引出采样电压。
4.如权利要求2或3所述一种用于脉冲等离子体推力器的电路，其特征在于所述点 火电容(Cl)两端的电压为3kV ；储能电容(C2)两端电压为2kV ；火花塞每秒打火的次数为 2次。
5.如权利要求1所述一种用于脉冲等离子体推力器的电路，其特征在于控制电路包 括ATmegaie型单片机，电压比较器(Ul)、(U2)，稳压管(D6)、(D7)，电位器(R6)、(R7)，限流 电阻(R8)、分压电阻(R9)、(RlO)、(Rll)、限流电阻(R12)，驱动三极管(Q4)、(Q5)、(Q6)，控 制信号电源(V2)和标准直流电源(V3)；其中，电压比较器(Ul)负输入端接电位器(R6)，正 输入端与点火电路中分压电阻(Rl)、采样电阻(R2)连接点连接，输出端串联限流电阻(R8) 和稳压管(D6)，稳压管(D6)两端引出电压接单片机输入引脚(8)；电压比较器(U2)负输 入端接电位器(R7)，正输入端与储能电路中分压电阻(R3)、采样电阻(R4)的连接点连接， 输出端串联限流电阻(R12)和稳压管(D7)，稳压管(D7)两端引出电压接单片机输入引脚 (4)；电压比较器(Ul)和电压比较器(U2)使用标准直流电源(V3)供电，标准直流电源(V3) 并联在电位器(R6)、(R7)两端；单片机使用稳压电源(VCC)供电，标准直流电源(V3)与单 片机共地，点火电路⑴中的点火电容(Cl)、储能电路⑵中的储能电容(C2)的低压端与 单片机共地；单片机输出引脚(1)与驱动三极管(Q4)、分压电阻(R9)、控制信号电源(V2) 串联；单片机输出引脚⑶与驱动三极管(Q5)、分压电阻(RlO)、控制信号电源(V2)串联；单片机输出引脚⑵与驱动三极管(Q6)、分压电阻(Rll)、控制信号电源(V2)串联；控制信 号电源(V2)正极接地，负极与卫星母线电源(Vl)负极连接；分压电阻(R9)与驱动三极管 (Q4)的连接点与储能电路中开关晶体管(Q3)控制极连接；分压电阻(RlO)高压端接开关 晶体管(Q2)控制极；分压电阻(Rll)高压端接开关晶体管(Ql)控制极。
全文摘要
本发明公开了一种用于脉冲等离子体推力器的电路，包括点火电路，储能电路和控制电路；控制电路中的单片机输出斩波信号，通过点火电路与储能电路中的脉冲变压器对点火电容与储能电容充电。在两个电压比较器正输入端的采样电压分别达到设定的点火电压与储能电压时，单片机停止输出斩波信号，经过一个设定的延迟时间，单片机输出点火信号，点火信号通过储能电路中的脉冲变压器产生触发脉冲高压电，脉冲高压电放电击穿气体放电管产生电火花，引发点火。本发明优点在于能够实现快速、可控的充电和精确的触发点火。
文档编号F03H1/00GK101943148SQ20101023752
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者余鹏, 卫强, 汤海滨, 王安良, 隋禄涛 申请人:北京航空航天大学