专利名称：大规模固体微推力器阵列点火系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型固体推力器阵列的点火系统，特别适用于大规模微型固体 推力器阵列。
背景技术：
随着微型卫星的发展及应用，对其高精度的姿态和 轨道控制也提出了挑战，需 要执行机构质量和体积小、集成度高、功耗低、可靠性高，能够提供小而精确的冲量， 而微型固体推力器阵列，能够满足微型卫星姿轨控系统的要求。微型固体推力器阵列能 集成高密度的微型推力器，每个推力器单元产生微小的冲量，可以实现任意的点火组合 方式，进行变推力控制，这种推力器的突出优点就是可以应用于公斤级的皮卫星或纳卫 星上，是一种新型的卫星控制动力装置。随着各国对微型推力器阵列的研究逐渐深入，迫切需要解决阵列的应用问题， 因此对于大规模阵列的研究成为现在的研究重点，而其中最重要的是点火相关技术的研 究，例如点火控制系统、点火电路、驱动电路、点火算法等。现阶段各国主要集中在对 微型推力器阵列结构、测试等方面的研究，现有的各国研究的点火电路都较为复杂，不 适用于大规模推力器阵列，对于整个点火系统的研究更是少之又少，因此制约了微型推 力器阵列的进一步应用。图1为韩国2010年刚研制的点火控制系统，但是该系统能够进行控制的推力器 阵列规模非常小，因为点火电路采用每个点火电阻单独控制，布线难度比较大，如果进 一步扩大点火电阻的数量，集成百万级数量推力器，采用该点火电路基本不可能。对于 卫星姿态和轨道控制，为了提高大范围的机动能力以及更加精确的控制，需要推力器阵 列能够集成更多的推力器，因此对应的点火电路规模也要增大。如果推力阵列规模足够 大，比如100X 100个推力器或者更大，独立式点火电路的布线将较为复杂。
发明内容
本发明的目的是解决微推力器阵列的应用问题，利用阵列式点火电路真正意义 上实现微推力器阵列的规模化，并且实现对推力器阵列满足姿轨控要求的推力器组合进 行点火控制。本发明的点火控制系统包括通信模块、控制模块、行控制端、列控制端、行驱 动模块、列驱动模块、点火电路。其中，行驱动模块包括两个或两个以上可控开关元件和两个或两个以上限流电 阻。列驱动模块包括两个或两个以上放大模块和两个或两个以上限流电阻，其中放 大模块有两个作用，一个是功率放大，一个是控制电路通断即可控开关的作用。点火电路包括两个或两个以上电阻、两个或两个以上二极管、两根或两根以上 行线、两根或两根以上列线以及两个或两个以上集成电路板；具体布局是，每一个发热电阻一端与一个二极管正极相连，发热电阻的另一端连接在行线上，二极管的负极连接 在列线上；行线和列线分别分布在不同的集成电路板中，互不影响。为区别之前的独立 式点火电路，这里将此种点火电路称为阵列式点火电路。整个点火控制系统各个模块之间的连接是通信模块与控制模块相连；控制模 块通过行控制端与行驱动相连，通过列控制端与列驱动相连对于每一行，行控制端通 过限流电阻连接行驱动 ；对于每一列，列控制端也通过限流电阻连接列驱动。行驱动连 接点火电路的行线，列驱动连接点火电路的列线。工作过程是卫星姿轨控系统的控制器将所有的所需推力器坐标通过通信模块 进行通信，传输到控制模块，控制模块对接收到的信号进行判断和控制如果要点燃的 推力器小于设定的数量，一次点燃所有所需的推力器，即将它们所在行列进行高电平输 出，控制驱动电路导通，电阻加热发火药。其中高电平的维持时间需要大于点火延迟时 间，以使电阻加热至发火药的发火时间，当到达高电平的维持时间，对相关行列进行低 电平输出，此时电路断开，电阻停止加热；如果要点燃的推力器大于设定的数量，要进 行分组点火，每组之间设定固定的点火时间间隔，对于每一组的控制与前相同。有益效果整个系统真正意义上实现对大规模微型推力器阵列的点火控制①设计了阵列 式点火电路；②设计了能够对大规模阵列控制的控制电路；③设计了可控、可靠的驱动 电路。采用这样的系统设计，因为需要的导线等相关硬件都减少，既可控又较为简洁， 大大降低了电路的复杂程度，提高了点火的稳定性及可靠性。
图1为韩国2010年研制的点火系统。图2为本发明的点火系统框图。图3为本发明的点火系统原理图。图4为本发明的点火电路示例。图5为本发明的行驱动电路示例。图6为本发明的列驱动电路示例。图7为本发明的控制电路示例。图8为本发明的USB与FPGA的连接图示例。图9为本发明的一路驱动电路和点火电路连接示意图。图10为FPGA状态转移图示例。图11为本发明的电阻简化模型。
具体实施例方式下面结合附图，详细说明本发明的具体实施方式
。实验中采用10X10阵列，来 说明设计思想以及原理图2为本发明的点火系统框图；图3为本发明的点火系统原理 图；图4为本发明的点火电路示例；图5为本发明的行驱动电路示例；图6为本发明的 列驱动电路示例；图7为本发明的控制电路示例。本发明的点火控制系统包括通信模块、控制模块、行控制端、列控制端、行驱动模块、列驱动模块、点火电路。其中，行驱动模块 包括十个晶闸管和十个限流电阻，其中晶闸管为可控开关元 件。所有晶闸管的阳极接电源。列驱动模块包括达林顿管和限流电阻，其中达林顿管为 放大模件，可以进行功率放大，也可以通过它控制电路通断。所有达林顿管的发射极接 地。点火电路包括一百个电阻、一百个二极管、十根行线以及十根列线；具体布局 是，每一个电阻一端与一个二极管正极相连，发热电阻的另一端连接在行线上，二极管 的负极连接在列线上；行线和列线分别分布在不同的集成电路板中，互不影响。为区别 之前的独立式点火电路，这里将此种点火电路称为阵列式点火电路。在制造上，该点火 电路采用微机电加工技术，在推力器阵列顶层沉结二极管和电阻，进而构成点火电路阵 列。行线Rl RlO上各连有10个电阻，各个电阻各自与二极管相连，二极管连接在列 线Cl ClO上。而Rl RlO与Cl ClO各自分布在两个电路层上，不互相相连。整个点火控制系统各个模块之间的连接是通信模块与控制模块相连；控制模 块通过行控制端与行驱动相连，通过列控制端与列驱动相连对于每一行，行控制端通 过限流电阻连接晶闸管的门级；对于每一列，列控制端也通过限流电阻连接达林顿管的 基极。晶闸管的阴极连接点火电路的行线，达林顿管的集电极连接点火电路的列线。在 本实验中，晶闸管采用BT151，达林顿管采用TIP122。点火电路行线Rl RlO连接在 晶闸管阴极上，晶闸管阳极连接VCC电源上，晶闸管门级通过在二极管上和限流电阻连 接在列控制端Rol RolO;点火电路列线Cl ClO连接在达林顿管的集电极，达林顿 管的发射极接地，基极通过限流电阻连接在列控制端Coll CollO。另外，通信模块采用USB2.0。控制模块采用FPGA作为主控制芯片。USB芯 片选择 Cypress 的 CY7C68013A，FPGA 芯片选择 Altera 公司的 EP1C20F400C8，FPGA 电 源需要1.5V和3.3V供电，电源芯片选择TPS54313和TPS543136。本控制电路有200个 IO 口，控制100X100的阵列，两个50接口 Columnl和Column2连接驱动电路的列控制 端Coll CollOO，两个50接口 Rowl和Row2连接驱动电路的行控制端Rol RolOO。 如果阵列扩大，可以进行扩展，FPGA工作晶振可以由USB芯片提供，频率为48MHz， 也可由外置24MHz晶振提供。Altera—JTAG为调试程序下载接口，Altera—AS为配置程 序下载接口，程序下载到EPCS4中，通电后程序自动下载到FPGA中。USB固件程序设计采用Cypress公司提供的固件程序开发框架，在此框架下加入 系统的功能程序，就可以完成程序开发，主要进行TD—Init和TD—Poll程序以及自定义请 求函数的编写。FPGA程序设计，采用Verilog编写，能够实现对推力器的控制，任意推力器组 合的控制，并且可以实现对高电平维持时间的控制，以及高电平维持时间中间维持低电 平时间的设定。处于点火间隔时间时，电平拉低，对于电平的控制都需要在FPGA中实 现。图8为USB与FPGA的连接示意图，其中各个状态表示的意义如下IFCLK FX2输出的时钟，可作为通讯的同步时钟；FLAGB, FLAGC FX2输出的FIFO状态信息，如满，空等；SLOE FIFO输出使能，外部逻辑控制，当SLOE无效时，数据线不输出有效数据；SLRD 同步读时，FIFO指针在SLRD有效时的每个IFCLK的上升沿递增；FD[15:0]数据线；FIFOADR[1:0]选择四个FIFO端点的地址线，外部逻辑控制。工作过程是卫星姿轨控系统的控制器将所有的所需推力器坐标通过USB进行 通信，传输到作为控制模块的FPGA，FPGA对接收到的信号进行判断和控制如果要点 燃的推力器小于设定的数量，一次点燃所有所需的推力器，即将它们所在行列进行高电 平输出，控制驱动电路导通，电阻加热发火药。其中高电平的维持时间需要大于点火延 迟时间，以使电阻加热至发火药的发火时间，当到达高电平的维持时间，对相关行列进 行低电平输出，此时电路断开，电阻停止加热；如果要点燃的推力器大于设定的数量， 要进行分组点火，每组之间设定固定的时间间隔，对于每一组的控制与单组控制相同。本系统进行通信时，USB芯片选择Slave FIFO模式，FPGA实现同步从属FIFO 的读操作，当通过USB接收到的16位数据中第16位为1时，剩下的十五位将要点的推 力器坐标储存到RAM。FPGA调用IP核，先将通过USB收到的所点推力器坐标存于 FPGA的RAM中，当收到的数据第16位为0时，则剩下的十五位储存所点推力器的总个 数以及单次的个数，并进行控制信号输出，控制IO电平。FPGA运用有限状态机进行状 态转移，首先进行初始化，将各个寄存器进行初始化。然后转入点火状态，判断点单次 火推力器的个数，以及点火推力器的总个数，达到单次所点推力器个数后，转入电平维 持状态，保持一定的状态，达到维持时间后转入点火间隔时间状态，保持低电平一定时 间后，判断是否达到所点推力器的总个数，如果没达到，则进入点火状态。最后复位， 相关寄存器置为初始态。状态转移图如图10所示。状态机时序如下IDLE对相关的寄存器进行初始化，然后转入FIRE状态，开始读RAM操作。FIRE指向输出FIFO (对应端点2)，判断点单次火推力器的个数，以及点火推 力器的总个数，达到单次所点推力器个数后，转入HOLD—ON。HOLD ON 进入电平维持状态，保持一定的时间，达到一定时间后进入 HOLD—OFFHOLD—OFF 保持低电平一定时间后，达到一定时候后，判断是否达到所点 推力器的总个数，如果没达到，则进入FIRE状态，如果达到进入END状态。END 把相关寄存器置为初始态。下面分别计算工作过程中提到的点火延迟时间和点火间隔时间。1、点火延迟时间确定。高电平维持时间需要根据点火延迟时间来确定，为FPGA电平控制提供依据。点火延迟时间包括数据传输、算法求解和电阻加热点火药的时间，前两方面时间均远小 于电阻加热时间，因此在分析计算点火延迟时间时，不考虑前两方面引起的点火延迟。 该时间先通过数值仿真计算出时间作为参考，最后通过实验进一步确定。为确定点火延迟时间，建立单个电阻仿真模型网格划分图，如图11所示。电阻加热过程，一是通电后电流流过电阻材料发热；二是热量通过热传导方式 流动。为了考察玻璃釉表面温度是否达到点火温度，运用有限元方法进行三维非稳态传 热计算，查看达到发火药达到点火温度所需时间，为点火延迟时间的设定提供一定的参考。因为点火时间较短，并且电阻TCR即温度系数值为士 100ppm/°C左右，因此忽略点 火时电阻阻值的变化。电阻的电功率可用下式表示P = I2R(1)其中，I是通过电阻的电流，R是阻值。将电阻作为恒热源，生热速率可表示为q = P/V(2)其中，V为电阻的体积。计算控制方程为
权利要求
1.大规模固体微推力器阵列点火系统包括通信模块、控制模块和点火电路； 其特征在于，该点火系统还包括行控制端、列控制端、行驱动模块、列驱动模块； 各个模块之间的连接关系是通信模块与控制模块相连；控制模块通过行控制端与行驱动相连，通过列控制端与列驱动相连对于每一行，行控制端通过限流电阻连接行 驱动；对于每一列，列控制端也通过限流电阻连接列驱动；行驱动与点火电路的行线相 连，列驱动与点火电路的列线相连；工作过程是卫星姿轨控系统的控制器将所有的所需推力器坐标通过通信模块进行 通信，传输到控制模块，控制模块对接收到的信号进行判断和控制如果要点燃的推力 器小于设定的数量，一次点燃所有所需的推力器，即将它们所在行列进行高电平输出， 控制驱动电路导通，电阻加热发火药；其中高电平的维持时间需要大于点火延迟时间， 以使电阻加热至发火药的发火时间，当到达高电平的维持时间，对相关行列进行低电平 输出，此时电路断开，电阻停止加热；如果要点燃的推力器大于设定的数量，要进行分 组点火，每组之间设定固定的点火时间间隔，对于每一组的控制与前相同。
2.如权利要求1所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，其行驱动模块包括两个或 两个以上可控开关元件和两个或两个以上限流电阻。
3.如权利要求1所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，其列驱动模块包括两个或 两个以上放大模块和两个或两个以上限流电阻。
4.如权利要求3所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，其中的放大模块有两个作 用，一个是功率放大，另一个是控制电路通断即可控开关的作用。
5.如权利要求1所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，其点火电路包括两个或两 个以上电阻、两个或两个以上二极管、两根或两根以上行线以及两根或两根以上列线； 具体布局是，每一个发热电阻一端与一个二极管正极相连，发热电阻的另一端连接在行 线上，二极管的负极连接在列线上；行线和列线分别分布在不同的集成电路板中。
6.如权利要求1所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，关于它的高电平的维持时 间，其特征在于，需要根据点火延迟时间来确定；点火时间包括数据传输、算法求解和 电阻加热点火药的时间，前两方面时间均选小于电阻加热时间，因此在分析计算点火延 迟时间时，不考虑前两方面引点的点火延迟。
7.对于权利要求5所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，关于它的电阻加热点 火药的时间，其特征在于，运用有限元软件ANSYS进行三维非稳态传热数值计算，查 看达到发火药达到点火温度所需时间，为点火延迟时间的设定提供参考；因为点火时间 较短，并且电阻TCR即温度系数值为士 100ppm/°C左右，因此忽略点火时电阻阻值的变 化，同时忽略玻璃釉对加热时间的影响；进而得到电阻的电功率P由下式表示为P = I2R(1)其中，I是通过电阻的电流，R是阻值。 将电阻作为恒热源，生热速率q可表示为 q = P/V'(2)其中，V'为电阻的体积。
8.如权利要求5所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，其特征在于，它的电阻 加热点火药的时间，也可以运用实验台进行测试，忽略数据传输时间，用点火电压作为外部触发，在点火同时，同时触发采集系统，进行数据采集，得到电阻加热点火药的时 间。
9.如权利要求1所述的大规模固体微推力器阵列点火系统，其特征在于，当它的点火 时间间隔小于50us时，回路将不能断开，因此，当进行单次多组点火时，中间最小间隔 时间设为50us。
全文摘要
本发明涉及一种微型固体推力器阵列的点火系统，特别适用于大规模微型固体推力器阵列。针对以往能控制的推力器阵列规模小、大型独立式点火电路布线难度大的问题，利用阵列式点火电路真正意义上实现微推力器阵列的规模化，并且通过设计配套的控制电路和驱动电路共同实现对推力器阵列满足姿轨控要求的推力器组合进行点火控制。采用这样的系统设计，因为需要的导线等相关硬件都减少，既可控又较为简洁，大大降低了电路的复杂程度，提高了点火的稳定性及可靠性。
文档编号F02K9/95GK102022224SQ20101027631
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者刘旭辉, 方蜀州, 李洪美, 李腾, 王玉林 申请人:北京理工大学