专利名称：一种微小型飞轮控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及航天飞行器飞轮电路，尤其是用于深空探测航天器的微小型反作用飞 轮控制电路。
背景技术：
微小型反作用角动量O.1Nms,以质量为IOOkg级别的微小卫星/空间探测器应用 的飞轮。其主要用于深空探测航天飞行器平台对干扰力矩的精确补偿，以便实现对航天器 姿态的精确控制。深空探测航天飞行器携带具有转动部件的有效载荷工作时，会对飞行器 姿态产生干扰，影响飞行器姿态稳定性和对地精度，而利用反作用飞轮实现对飞轮输出力 矩的精确控制，实现对平台干扰力矩精确补偿的功能。深空探测飞行器对星载设备要求的 特点是抗辐照指标要求低于地球轨道卫星，但是对设备的工作温度范围要求高于地球轨道 卫星。
目前，卫星用反作用飞轮投入实用的都是大质量平台(1000kg及以上)的卫星用 反作用飞轮，每颗卫星使用反作用飞轮的数量至少在3台以上，目前已有的反作用飞轮单 台质量都最少在8kg以上，角动量一般在8Nms以上，这些飞轮的性能和质量均超出了微小 卫星平台的需求，无法用于IOOkg级别的探测飞行器。在大质量卫星平台的配套飞轮中，控 制电路使用的元器件多为分立器件，控制电路核心芯片最多也就是8位单片机，很多功能 需要其他芯片来完成，导致控制电路板的面积较大，也无法适用于外形尺寸小的O.1Nms反 作用飞轮。发明内容
本发明的目的在于提供一种微小型飞轮控制电路，解决质量IOOkg级别的深空探 测航天器姿控执行机构及航天器平台对O.1Nms反作用飞轮，实现在-50°c +50°C恶劣环 境温度条件下能够控制轮体工作，达到航天器平台对干扰力矩精确补偿的要求。
为了达到上述发明目的，本发明是通过以下的技术方案实现的，一种微小型飞轮 控制电路，包括微处理器控制电路、通讯接口电路、电机电流反馈电路/温度信号采集和处 理电路、电机功率驱动电路、霍尔信号电路，微处理器控制电路分别与通讯接口电路、电机 功率驱动电路、霍尔信号电路、电机电流反馈电路/温度信号采集和处理电路相连通，电机 功率驱动电路与电机相连通。控制电路由一块PCB板构成，整个控制电路以微处理器控制 电路为核心，飞轮控制模式切换、飞轮驱动控制、飞轮控制电流闭环和速度闭环、飞轮电机 控制输出均由嵌入式软件支持的微处理器完成，整个电路实现了集成化和小型化。
所述的微处理器控制电路包括Al芯片、外部晶体振荡器、电阻R36 R41，A1芯片 包括转速调节器、电流调节器、PWM发生与控制电路、换相逻辑电路，外部晶体振荡器包括电 容C7、C8、晶振Y1，Al芯片的端口 1、44与接插件端口 5、4相连，端口 2、3、35与电阻R36、 R46、R37相连，端口 26与电阻R39、R41相连，端口 27与电阻R38、R40相连，端口 30、31与 外部晶体振荡器的电容C7、C8、Yl相连。Al芯片作为控制电路的核心，使用了闪存程序存储器技术，完成电机的逻辑换相、对各类信息综合处理后通过PWM控制实现电机的速度及转矩控制、实现转速闭环控制、实现平滑的软启动、完成各类保护动作。
所述的电机功率驱动电路采用三相全桥驱动，整个驱动回路由三相全桥并配有全桥驱动回路，包括两个N沟道场效应管的Tl芯片、Ul芯片、电阻R2、R3、R8、R9、R14、R15、电容C13、二极管D1、SI，Tl芯片的端口 1、2分别与电阻R3、R9相连并与Ul芯片的端口 5相连通，Tl芯片的端口 3、4分别与电阻R2、R8相连并与Ul芯片的端口 7相连通，Tl芯片的端口 7、8与电容C13、Dl相连并与Ul芯片的端口 1、6、8相连通，Tl芯片的端口 5、6与SI相连接，Ul芯片的端口 2、3分别与电阻R14、R15相连通，Ul芯片的端口 4接地。电机驱动电流< 200mA，使用的Tl芯片、Ul芯片完全能达到电路使用要求。
所述的电机电流反馈电路包括两个AD820芯片U4、U5、电阻R20 R26、R44、R45、 R49、R50、电容C16、C32，芯片U5的端口 2通过电阻R44与芯片U4的端口 6、电阻R24、R23、 芯片U4的端口 2、电·阻R22相连通，芯片U5的端口 3、4与电阻R25、R26、芯片U5的端口 7相连通，芯片U5的端口 6与电阻R45相连通；芯片U4的端口 3与串联的电阻R21、R20相连、 与并联的电阻R49、R50、电容C16、C32相连通，芯片U4的端口 4接地，芯片U4的端口 7接 +5V。电流反馈电路对飞轮电机电流采用限流，使得飞轮电机最大平均电流不超过200mA。
所述的温度信号采集和处理电路包括芯片U6、电阻R27 R30、R34、R35、温度传感器Q2，芯片U6的端口 2、3与电阻R27、R28、温度传感器Q2、电阻R29、端口 7、+5V相连，芯片U6的端口 2还与电阻R30、R34、端口 7、电阻R35相连通，端口 4接地。温度转换为电压信号后再经处理放大。
所述的通讯接口电路包括通讯接口芯片U7A、U7B、全双工通讯协议接口 JP6、电阻 R47、电容C33，芯片U7A的端口 I与芯片Al的管脚31 (网络标号RX)相连，端口 2、3、4、5接地，端口 6与对外连接JP6端口 I相连，端口 7与对外连接JP6端口 2相连通，芯片U7B的端口 I悬空，端口 2、5接地，端口 3与芯片Al的管脚14(网络标号TFS1)相连，端口 4与芯片Al的管脚32 (网络标号TX)相连，端口 6与对外连接JP6端口 3相连，端口 7与对外连接JP6端口 4相连，端口 8接+5V ;JP6的端口 1、2与电阻R47、电容C33连接。
本发明采用的控制电路，电路的核心部件是小型微处理器控制电路，与现有技术相比，其优点和有益效果是
采用微小型芯片，实现电路的集成化和小型化；
整体尺寸小、重量轻、电路板尺寸为Φ76mm，而元器件布线区域仅为Φ66πιπι，电路板装机重量30g，功耗低、适应温度范围广。
经抗辐试验，整机抗辐能力达到14.76Krad(Si)，满足火星探测器对飞轮大于 IOKrad(Si)的要求。
以下将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是本发明航天器微小型反作用飞轮的电路原理框图； 图2是微处理器控制电路示意3是电机功率驱动电路意4是电机电流反馈电路示意图
图5是温度彳目号米集和处理电路不意 图6是通讯接口电路示意图。
具体实施方式
控制电路由一块直径为Φ76πιπι的PCB板构成，为了尽量实现电路的小型化，整个控制电路以microchip公司的电机控制专用DSP芯片dsPIC30F3011为核心。全桥驱动使用了 IR2103S，功率管使用了 FDS6982，飞轮对外数字接口使用了 ADM485ARZ通讯接口芯片， 飞轮力矩和速度两种控制模式切换、飞轮驱动控制、飞轮控制电流闭环和速度闭环、飞轮电机PWM控制输出、对外通讯等均由嵌入式软件支持的DSP处理器完成。整个电路实现了集成化和小型化。
如图1所示，是本发明航天器微小型反作用飞轮的电路原理框图，包括微处理器控制电路、通讯接口电路、电机电流反馈电路/温度信号采集和处理电路、电机功率驱动电路、霍尔信号电路，微处理器控制电路分别与通讯接口电路、电机功率驱动电路、霍尔信号电路、电机电流反馈电路/温度信号采集和处理电路相连通，电机功率驱动电路与电机相连通。
如图2所示，是微处理器控制电路示意图。微处理器控制电路包括dsPIC30F3011 芯片、外部晶体振荡器、电阻R36 R41，DSP芯片包括转速调节器、电流调节器、PWM发生与控制电路、换相逻辑电路，外部晶体振荡器包括电容C7、C8、晶振Yl，DSP芯片的端口 1、44 与接插件端口 5、4相连，端口 2、3、35与电阻R36、R46、R37相连，端口 26与电阻R39、R41 相连，端口 27与电阻R38、R40相连，端口 30、31与外部晶体振荡器的电容C7、C8、Yl相连。 DSP芯片使用时再16倍频，主频达到80MHz，完全能够满足飞轮控制的需要。DSP芯片使用了闪存程序存储器技 术，电可擦除和可编程，所以对软件的修改和调试比较方便。微控制器单元作为控制电路的核心，主要完成电机的逻辑换相、对各类信息综合处理后通过PWM控制实现电机的速度及转矩控制、实现转速闭环控制、实现平滑的软启动、完成各类保护动作 (包括电流保护、运转异常保护、传感器信号故障保护等)、完成模拟信号的A/D转换和采集、完成与上位机的数字通讯并执行上位机指令等。外部晶振为5M晶振。
如图3所示，是电机功率驱动电路示意图，采用三相全桥驱动，整个驱动回路采用 MOSFET构成的三相全桥同时配以全桥驱动回路实现，MOSFET功率管包括两个N沟道场效应管的 FDS6982 芯片、IR2103S 芯片、电阻 R2、R3、R8、R9、R14、R15、电容 C13、二极管 DU SI, FDS6982芯片的端口1、2分别与电阻R3、R9相连并与IR2103S芯片的端口 5相连通，FDS6982 芯片的端口 3、4分别与电阻R2、R8相连并与IR2103S芯片的端口 7相连通，FDS6982芯片的端口 7、8与电容C13、D1相连并与IR2103S芯片的端口 1、6、8相连通，FDS6982芯片的端口 5、6与SI相连接，IR2103S芯片的端口 2、3分别与电阻R14、R15相连通，IR2103S芯片的端口 4接地。电路的体积小，FDS6982内部集成的场效应管的额定电流分别达到了 8. 6A 和6. 3A，考虑到电机驱动电流< 200mA，所以芯片完全能达到电路使用要求，并且由于其发热量小，芯片也不用带专用散热片或贴金属外壳安装。全桥驱动回路采用IR2103S来实现， 其芯片本身带有输出相序的逻辑互锁功能，能有效防止三相全桥驱动的误导通带来的电机或驱动管的损坏，图中的电路是电机驱动中三相中的一相驱动。
如图4所示，是电机电流反馈电路示意图，包括两个AD820运算放大器芯片U4、U5、电阻R20 R26、R44、R45、R49、R50、电容C16、C32，芯片U5的端口 2通过电阻R44与芯片U4的端口 6、电阻R24、R23、芯片U4的端口 2、电阻R22相连通，芯片U5的端口 3、4与电阻R25、R26、芯片U5的端口 7相连通，芯片U5的端口 6与电阻R45相连通。芯片U4的端口 3与串联的电阻R21、R20相连、与并联的电阻R49、R50、电容C16、C32相连通，芯片U4的端口 4接地，芯片U4的端口 7接+5V。电流反馈电路对飞轮电机电流按限流200mA设计， 超过200mA电流时DSP关断其控制上下桥的PWM输出，使得飞轮电机最大平均电流不超过 200mA。电路中运算放大器采用了 AD公司的AD820，为贴片封装，体积小，精度高。
如图5所示，是温度信号采集和处理电路示意图，包括AD820芯片U6、电阻R27 R30、R34、R35、温度传感器Q2，芯片U6的端口 2、3与电阻1 27、1 28、温度传感器02、电阻1 29、 端口 7、+5V相连，芯片U6的端口 2还与电阻R30、R34、端口 7、电阻R35相连通，端口 4接地。电路的温度传感器Q2采用了电流型的温度敏感器件AD590，AD590安装在飞轮轴承和电机安装底座的背面，能够真实反应飞轮旋转时轴承和电机的温度。温度转换为电压信号后经处理放大，送到DSP芯片进行A/D转换，由串行通讯送计算机。
如图6所示，是通讯接口电路示意图。包括ADM485ARZ通讯接口芯片U7A、U7B、 RS485全双工通讯协议接口 JP6、电阻R47、电容C33，芯片U7A的端口 I与芯片Al的管脚31(网络标号RX)相连，端口 2、3、4、5接地，端口 6与对外连接JP6端口 I相连，端口 7与对外连接JP6端口 2相连通，芯片U7B的端口 I悬空，端口 2、5接地，端口 3与芯片Al的管脚14 (网络标号TFS1)相连，端口 4与芯片Al的管脚32 (网络标号TX)相连，端口 6与对外连接JP6端口 3相连，端口 7与对外连接JP6端口 4相连，端口 8接+5V JP6的端口 1、2 与电阻R47、电容C33连接。
以上各部分组成O.1Nms微小型反作用飞轮的控制电路，配合控制软件完成姿控系统对反作用飞轮的各项控制要求，提供了一个以DSP芯片为核心的通用型飞轮控制电路最小系统的模板。在电路所选用的dsPIC30F3011、AD820、ADM485ARZ、FDS6982、IR2103S其工作温度为_40°C +85°C，dsPIC30F3011的工作温度则达到了 _40°C +125°C，元器件使用参数都达到了 I级降额的要求。经过抗辐照试验，在辐照剂量率为328rad(Si)/min的情况下，能承受的辐照总剂量达到14.76Krad(Si)，满足火星探测器要求大于IOKrad(Si)的抗辐照要求。
权利要求
1.一种微小型飞轮控制电路，其特征在于包括微处理器控制电路、通讯接口电路、电机电流反馈电路/温度信号采集和处理电路、电机功率驱动电路、霍尔信号电路，微处理器控制电路分别与通讯接口电路、电机功率驱动电路、霍尔信号电路、电机电流反馈电路/温度信号采集和处理电路相连通，电机功率驱动电路与电机相连通。
2.如权利要求1所述的微小型飞轮控制电路，其特征在于所述的微处理器控制电路包括Al芯片、外部晶体振荡器、电阻R36 R41，A1芯片包括转速调节器、电流调节器、PWM发生与控制电路、换相逻辑电路，外部晶体振荡器包括电容C7、C8、晶振Y1，Al芯片的端口1、44与接插件端口 5、4相连，端口 2、3、35与电阻R36、R46、R37相连，端口 26与电阻R39、R41相连，端口 27与电阻R38、R40相连，端口 30、31与外部晶体振荡器的电容C7、C8、Y1相连。
3.如权利要求1所述的微小型飞轮控制电路，其特征在于所述的电机功率驱动电路采用三相全桥驱动，整个驱动回路由三相全桥并配有全桥驱动回路，包括两个N沟道场效应管的Tl芯片、Ul芯片、电阻1 2、1 3、1 8、1 9、1 14、1 15、电容(13、二极管01、51，1'1芯片的端口 1、2分别与电阻R3、R9相连并与Ul芯片的端口 5相连通，Tl芯片的端口 3、4分别与电阻R2、R8相连并与Ul芯片的端口 7相连通，Tl芯片的端口 7、8与电容C13、D1相连并与Ul芯片的端口 1、6、8相连通，Tl芯片的端口 5、6与SI相连接，Ul芯片的端口 2、3分别与电阻R14、R15相连通，Ul芯片的端口 4接地。
4.如权利要求1所述的微小型飞轮控制电路，其特征在于所述的电机电流反馈电路包括两个 AD820 芯片 U4、U5、电阻 R20 R26、R44、R45、R49、R50、电容 C16、C32，芯片 U5 的端口 2通过电阻R44与芯片U4的端口 6、电阻R24、R23、芯片U4的端口 2、电阻R22相连通，芯片U5的端口 3、4与电阻R25、R26、芯片U5的端口 7相连通，芯片U5的端口 6与电阻R45相连通 ’芯片U4的端口 3与串联的电阻R21、R20相连、与并联的电阻R49、R50、电容C16、C32相连通，芯片U4的端口 4接地，芯片U4的端口 7接+5V。
5.如权利要求1所述的微小型飞轮控制电路，其特征在于所述的温度信号采集和处理电路包括芯片U6、电阻R27 R30、R34、R35、温度传感器Q2，芯片U6的端口 2、3与电阻R27、R28、温度传感器Q2、电阻R29、端口 7、+5V相连，芯片U6的端口 2还与电阻R30、R34、端口 7、电阻R35相连通，端口 4接地。
6.如权利要求1至5所述的微小型飞轮控制电路，其特征在于所述的通讯接口电路包括通讯接口芯片U7A、U7B、全双工通讯协议接口 JP6、电阻R47、电容C33，芯片U7A的端口I与芯片Al的管脚31 (网络标号RX)相连，端口 2、3、4、5接地，端口 6与对外连接JP6端口I相连，端口 7与对外连接JP6端口 2相连通，芯片U7B的端口 I悬空，端口 2、5接地，端口 3与芯片Al的管脚14 (网络标号TFS I)相连，端口 4与芯片Al的管脚32 (网络标号TX)相连，端口 6与对外连接JP6端口 3相连，端口 7与对外连接JP6端口 4相连，端口 8接+5V ;JP6的端口 1、2与电阻R47、电容C33连接。
全文摘要
本发明公开了一种微小型飞轮控制电路，其包括微处理器控制电路、通讯接口电路、电机电流反馈电路/温度信号采集和处理电路、电机功率驱动电路、霍尔信号电路，微处理器控制电路分别与通讯接口电路、电机功率驱动电路、霍尔信号电路、电机电流反馈电路/温度信号采集和处理电路相连通，电机功率驱动电路与电机相连通。与现有技术相比，其优点和有益效果是采用微型芯片，实现电路的集成化和小型化；整体尺寸小、重量轻、功耗低、适应温度范围广，能够满足深空探测航天器的使用要求。
文档编号G05D1/08GK103019128SQ20111028981
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者姜宁翔, 孙丹, 金康进, 许辰, 刘胜忠, 陶侃凯 申请人:上海航天控制工程研究所