一种数字化调整磁矩值的星载磁力矩器

技术领域

本发明属于卫星技术领域，具体涉及一种数字化调整磁矩值的星载磁力矩器。

背景技术

三轴磁通门磁强计是卫星姿控分系统在轨测量地磁场磁感应强度矢量的磁测量敏感部件，用来确定卫星的三轴姿态，辅助卫星姿态算法保证磁力矩器产生正确的控制力矩。磁力矩器是卫星姿控系统的重要执行部件，通过在三轴磁力矩线圈中施加控制电流，与地磁场相互作用，在星体上产生期望的控制力矩，可实现飞轮卸载、进行卫星姿态控制以及进行初步姿态捕获等功能。

传统开关型模拟量磁组件与综合电子系统之间共有8路QQL控制电平信号。综合电子系统通过8路QQL控制电平信号控制磁力矩器的正向、负向开关，8路控制信号分为4路开关信号和4路方向信号。计算机控制与磁矩对应逻辑关系如表1所示。这种控制方式的优点是技术成熟、控制方法简单，但缺点是只能控制磁力矩器磁矩正向输出磁矩或者负向输出磁矩，无法控制磁力矩器输出可调磁矩值。

表1控制信号接口示例

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在公开了一种数字化调整磁矩值的星载磁力矩器，用于使星载磁力矩器输出可调磁矩值，最终达到卫星姿态精准控制的目的。

本发明公开了一种数字化调整磁矩值的星载磁力矩器，包括磁组件控制单元，温度传感器和三轴磁力矩器；三轴磁力矩器包括x、y、z轴三个磁力矩线圈；所述温度传感器和三个磁力矩线圈分别与磁组件控制单元电连接；

所述磁组件控制单元还与星载计算机电连接，从星载计算机接收目标磁矩指令控制信号；

所述磁组件控制单元，根据所述目标磁矩指令控制信号产生控制每个磁力矩线圈中电流大小和方向的驱动信号；并实时采集温度传感器测量的温度值和每个磁力矩线圈的磁矩反馈值；通过温度补偿和磁矩控制，使每个磁力矩线圈中产生与所述目标磁矩指令控制信号对应的目标磁矩值，对卫星的姿态进行调整。

进一步地，所述磁组件控制单元包括控制器、驱动电路、泄放电路和电流采集电路；

在所述控制器与每个磁力矩线圈之间均连接有驱动电路；所述驱动电路，用于根据所述控制器电路输出的数字驱动控制信号，进行D/A变换和功率放大后输出到对应磁力矩线圈中，使磁力矩线圈输出磁矩；

在所述驱动电路的驱动电源与每个磁力矩线圈之间均连接有泄放电路；所述泄放电路，用于在驱动关断时，消耗掉磁力矩线圈中存储的电能；

在所述控制器与每个磁力矩线圈之间均连接有电流采集电路；所述电流采集电路，用于采集对应磁力矩线圈的实时电流值，经过信号放大和A/D变换后得到线圈电流数字信号，输出到控制器；

所述控制器，用于将接收的目标磁矩指令控制信号转换为分别控制每个磁力矩线圈的磁矩目标值数字信号，将从每个磁力矩线圈接收的线圈电流数字信号转换为磁矩实际值数字信号；根据磁矩目标值数字信号与磁矩实际值数字信号，以及当前的温度值，进行温度补偿和磁矩控制，输出控制每个磁力矩线圈的磁矩控制值数字信号。

进一步地，所述控制器与每个磁力矩线圈之间连接的驱动电路均包括数模转换器、射随器和驱动放大器；

所述数模转换器，用于对所述控制器电路输出的磁矩控制值数字信号，进行D/A变换后得到磁矩模拟值控制信号，输出到射随器；

所述射随器，用于将模拟值控制信号进行隔离放大后输出到驱动放大器；

所述驱动放大器，用于对磁矩模拟值控制信号进行功率放大；

所述驱动放大器包括运放U1、电阻R1-R4、NPN三极管T1、PNP三极管T2和二极管D1、D2；

所述运放U1的反相输入端与所述射随器的输出端连接，同相输入端经电阻R1与模拟地连接，输出端分别经电阻R2与NPN三极管T1的栅极连接，经电阻R3与NPN三极管T2的基极连接；

NPN三极管T1和PNP三极管T2发射极连接在一起与磁力矩器的线圈A端连接；

所述二极管D1的阳极与NPN三极管T1的集电极连接，阴极与NPN三极管T1的发射极连接，

所述二极管D2的阳极与PNP三极管T2的集电极连接，阴极与PNP三极管T2的发射极连接。

电阻R4连接在NPN三极管T1的发射极和所述运放U1的反相输入端之间。

进一步地，所述驱动电路的驱动电源与每个磁力矩线圈之间连接的泄放电路包括第一泄放电路和第二泄放电路；

所述第一泄放电路连接在所述NPN三极管Q1集电极与驱动供电正电源之间，磁力矩线圈A端通过二极管D1阳极、阴极与第一泄放电路连接；

所述第二泄放电路连接在所述PNP三极管Q2集电极与驱动供电负电源之间，

磁力矩线圈B端通过二极管D2阴极、阳极与第二泄放电路连接；

如果磁力矩器线圈在正向输出磁矩时，驱动关断，则磁力矩线圈内存储的电能使磁力矩线圈A端电压高于B端电压；B端与参考地连接，则线圈A端的正电压使二极管D1导通，磁力矩线圈内存储的电能通过所述第一泄放电路进行泄放；

如果磁力矩器线圈在负向输出磁矩时，驱动关断，则磁力矩线圈内存储的电能使磁力矩线圈A端电压低于B端电压；B端与参考地连接，则线圈A端的负电压使二极管D2导通，磁力矩线圈内存储的电能通过所述第二泄放电路进行泄放。

进一步地，PNP三极管Q3，NPN三极管Q4、Q5，二极管D3、D4，电阻R5-R10；

所述二极管D3、D4并联，所述NPN三极管Q4、Q5并联；驱动供电正电源正极与并联的二极管的阳极连接，并联的二极管的阴极与PNP三极管Q3的集电极连接；所述PNP三极管Q3的基极通过电阻R5与驱动供电正电源正极连接，发射极通过电阻R6与模拟地连接；

NPN三极管Q4的基极通过电阻R7与PNP三极管Q3发射极连接，集电极通过电阻R8与并联的二极管的阴极连接，发射极通过电阻R9与模拟地连接；

NPN三极管Q5的基极通过电阻R7与PNP三极管Q3发射极连接，集电极通过电阻R8与并联的二极管的阴极连接，发射极通过电阻R10与模拟地连接；

所述并联的二极管的阴极与所述NPN三极管Q1集电极连接。

进一步地，所述第二泄放器包括：NPN三极管Q6-Q8，二极管D5、D6，电阻R11-R16；

所述二极管D5、D6并联，所述NPN三极管Q7、Q8并联；驱动供电负电源负极与并联的二极管的阴极连接，并联的二极管的阳极通过电阻R12与NPN三极管Q6的发射极连接；所述NPN三极管Q6的基极通过电阻R11与驱动供电负电源负极连接，集电极与模拟地连接；

NPN三极管Q7的基极通过电阻R13与NPN三极管Q6发射极连接，集电极通过电阻R14与模拟地连接，发射极通过电阻R15与并联的二极管的阳极连接；

NPN三极管Q8的基极通过电阻R13与NPN三极管Q6发射极连接，集电极通过电阻R14与模拟地连接，发射极通过电阻R16与并联的二极管的阳极连接连接；

所述并联的二极管的阳极与所述NPN三极管Q2集电极连接。

进一步地，所述磁力矩线圈的供电回路中串联有采样电阻R16，所述电流采集电路采集采样电阻R16的电压值，经过滤波、放大和隔离放大后，通过A/D转换电路，得到线圈电流采样值。

进一步地，所述电流采集电路包括顺序连接的第一滤波器、电压放大器，第二滤波器，隔离器和A/D转换器；

所述第一滤波器为RC滤波器，对从电阻R16上采集的电压值进行滤波；

所述电压放大器，为反向比例放大器，对滤波后的电压信号进行放大；

所述第二滤波器为两级串联的RC滤波器，对放大后的电压信号进行滤波；

所述隔离器为射随器，连接在所述第二滤波器和A/D转换器之间；

所述A/D转换器，用于将隔离后的电压信号进行A/D转换输出采集电流的数字信号。

进一步地，通过恒温箱对所述三轴磁力矩器的三个磁力矩线圈电阻值随温度的变化性能进行测量，得到磁力矩线圈电阻值随温度变化的函数，存储于磁组件控制单元中；

进一步地，在温度补偿中，通过控制不同温度下磁力矩线圈中流过的电流不变，来保持磁力矩线圈中产生的磁矩不变。

本发明至少可实现以下有益效果之一：

本发明的采用全数字化，实现星载磁力矩器的连续可调输出磁矩和磁力矩器信号的高精度采集；控制力拒输出连贯，可使卫星调姿精度更高，调姿更平稳，并节省了星载计算机的工作量。并节省了星载计算机的工作量。

附图说明

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。

图1为本发明实施例中的星载磁力矩器组成连接示意图；

图2为本发明实施例中的控制器相关接口示意图；

图3为本发明实施例中D/A转换器电路原理图；

图4为本发明实施例中的射随器和驱动放大器电路原理图；

图5为本发明实施例中的第一泄放器电路原理图；

图6为本发明实施例中的第二泄放器电路原理图；

图7为本发明实施例中的电流采集电路原理图；

图8为本发明实施例中的A/D转换器电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个实施例公开了一种数字化调整磁矩值的星载磁力矩器，如图1所示，包括磁组件控制单元，温度传感器和三轴磁力矩器；三轴磁力矩器包括x、y、z轴三个磁力矩线圈(也称磁力矩线圈)；

所述温度传感器，用于测量三轴磁力矩器的温度值；

所述三个磁力矩线圈，用于产生磁矩调整卫星姿态；

所述温度传感器和三个磁力矩线圈分别与磁组件控制单元电连接；

所述磁组件控制单元还与星载计算机电连接，从星载计算机接收目标磁矩指令控制信号；

所述磁组件控制单元，根据所述目标磁矩指令控制信号产生控制每个磁力矩线圈中电流大小和方向的驱动信号；并实时采集温度传感器测量的温度值和每个磁力矩线圈的磁矩反馈值；通过温度补偿和磁矩控制，使每个磁力矩线圈中产生与所述目标磁矩指令控制信号对应的目标磁矩值，对卫星的姿态进行调整。

具体的，所述磁组件控制单元包括控制器、驱动电路、泄放电路、电流采集电路和电源电路；

在所述控制器与每个磁力矩线圈之间均连接有驱动电路；所述驱动电路，用于根据所述控制器电路输出的数字驱动控制信号，进行D/A变换和功率放大后输出到对应磁力矩线圈中，使磁力矩线圈输出磁矩；

在所述驱动电路的驱动电源与每个磁力矩线圈之间均连接有泄放电路；所述泄放电路，用于在驱动关断时，消耗掉磁力矩线圈中存储的电能；

在所述控制器与每个磁力矩线圈之间均连接有电流采集电路；所述电流采集电路，用于采集对应磁力矩线圈的实时电流值，经过信号放大和A/D变换后得到线圈电流数字信号，输出到控制器；

所述控制器，用于将接收的目标磁矩指令控制信号转换为分别控制每个磁力矩线圈的磁矩目标值数字信号，将从每个磁力矩线圈接收的线圈电流数字信号转换为磁矩实际值数字信号，根据磁矩目标值数字信号与磁矩实际值数字信号，以及当前的温度值，进行温度补偿和磁矩控制，输出控制每个磁力矩线圈的磁矩控制值数字信号。

所述电源电路，主要是将星上电源转换成内部电路需要的各种电源。电源组件将星上提供的+27V电源变换为+5V、±12V电源，满足控制器内部供电隔离的要求。

具体工作原理：

首先，星上电源通过电源电路将星上提供的+27V电源变换为+5V、±12V电源，满足控制器内部供电隔离的要求，位于主控制电路板上的电源芯片进行二次变换为磁组件控制单元的DSP芯片提供工作所需的3.3V、1.9V电源。DSP芯片正常上电工作后首先进行参数初始化以及系统初始化，包括DSP内核初始化、中断寄存器初始化、中断向量表初始化、系统时钟初始化以及外设初始化，其中外设初始化包括IO初始化、SPI初始化、CANA总线初始化、CANB总线初始化、AD芯片初始化、DA芯片初始化等。然后循环等待CAN总线指令，控制器通过CAN通信模块，读取CAN总线输入的目标磁矩指令控制信号(例如输入的目标磁矩值为8Am

当主控制电路板接收到上位机的目标磁矩指令控制信号时，主控制电路板控制器采集当前时刻流经磁棒的电流作为电流反馈，并完成电流值与磁矩值的转换计算(例如采集到的实际磁矩值为7.8Am

然后将二者信号对应的磁矩值进行比较计算，同时控制器读取温度传感器当前的温度值，通过温度补偿算法计算当前三个磁力矩线圈的阻值，利用磁矩控制算法最终生成驱动控制信号。

对磁力矩器线圈中的电流大小和方向进行变换控制和功率驱动，驱动采用DA芯片AD5764R输出加放大电路实现磁矩的输出，最终达到使磁力矩器输出精准可调磁矩的目的。

磁组件的控制器相关接口见图2，主要包括：与综合电子单元的CAN总线接口；与AD芯片的XINQF接口；与DA芯片的SPI接口；与温度传感器的SPI接口。其中，DSP通过并口实现和AD芯片的数据传输，完成对磁矩信息的采集，包括X轴磁棒的输出磁矩(-10Am

具体的，所述控制器与每个磁力矩线圈之间连接的驱动电路均包括：数模转换器、射随器和驱动放大器；

所述数模转换器，用于对所述控制器电路输出的磁矩控制值数字信号，进行D/A变换后得到磁矩模拟值控制信号，输出到射随器；

所述射随器，用于将模拟值控制信号进行隔离放大后输出到驱动放大器；

所述驱动放大器，用于对磁矩模拟值控制信号进行功率放大；

所述驱动放大器包括运放U1、电阻R1-R4、NPN三极管Q1、PNP三极管Q2和二极管D1、D2；

所述运放U1的反相输入端与所述射随器的输出端连接，同相输入端经电阻R1与模拟地连接，输出端分别经电阻R2与NPN三极管Q1的栅极连接，经电阻R3与NPN三极管Q2的基极连接；

NPN三极管Q1和PNP三极管Q2发射极连接在一起与磁力矩器的线圈A端连接；

所述二极管D1的阳极与NPN三极管Q1的集电极连接，阴极与NPN三极管Q1的发射极连接，

所述二极管D2的阳极与PNP三极管Q2的集电极连接，阴极与PNP三极管Q2的发射极连接。

电阻R4连接在NPN三极管Q1的发射极和所述运放U1的反相输入端之间。

其中，数模转换器电路如图3所示，射随器和驱动放大器如图4所示。

当控制磁力矩器的输出正磁矩时，运放U1输出的正电压通过NPN三极管Q1的放大作用输出正电压到磁力矩器的磁力矩线圈中，产生对应大小的正磁矩；

当控制磁力矩器的输出负磁矩时，运放U1输出的负电压通过PNP三极管Q2的放大作用输出负电压到磁力矩器的磁力矩线圈中，产生对应大小的负磁矩。

具体的，所述驱动电路的驱动电源与每个磁力矩线圈之间连接的泄放电路包括第一泄放电路和第二泄放电路；

所述第一泄放电路连接在所述NPN三极管Q1集电极与驱动供电正电源之间，磁力矩线圈A端通过二极管D1阳极、阴极与第一泄放电路连接；

所述第二泄放电路连接在所述PNP三极管Q2集电极与驱动供电负电源之间，

磁力矩线圈B端通过二极管D2阴极、阳极与第二泄放电路连接；

如果磁力矩器线圈在正向输出磁矩时，驱动关断，则磁力矩线圈内存储的电能使磁力矩线圈A端电压高于B端电压；B端与参考地连接，则线圈A端的正电压使二极管D1导通，磁力矩线圈内存储的电能通过所述第一泄放电路进行泄放；

如果磁力矩器线圈在负向输出磁矩时，驱动关断，则磁力矩线圈内存储的电能使磁力矩线圈A端电压低于B端电压；B端与参考地连接，则线圈A端的负电压使二极管D2导通，磁力矩线圈内存储的电能通过所述第二泄放电路进行泄放。

如图5所示，所述第一泄放器包括：PNP三极管Q3，NPN三极管Q4、Q5，二极管D3、D4，电阻R5-R10；

所述二极管D3、D4并联，所述NPN三极管Q4、Q5并联；驱动供电正电源正极与并联的二极管的阳极连接，并联的二极管的阴极与PNP三极管Q3的集电极连接；所述PNP三极管Q3的基极通过电阻R5与驱动供电正电源正极连接，发射极通过电阻R6与模拟地连接；

NPN三极管Q4的基极通过电阻R7与PNP三极管Q3发射极连接，集电极通过电阻R8与并联的二极管的阴极连接，发射极通过电阻R9与模拟地连接；

NPN三极管Q5的基极通过电阻R7与PNP三极管Q3发射极连接，集电极通过电阻R8与并联的二极管的阴极连接，发射极通过电阻R10与模拟地连接；

所述并联的二极管的阴极与所述NPN三极管Q1集电极连接；

所述电阻R8为多个电阻并联的电阻网络。

所述三极管Q3、Q4和Q5为功率管。当正常工作时，功率管Q3、Q4和Q5不导通，当出现回馈能量时，回馈电压使得Q3导通，进而使得功率管Q4和Q5导通，将能量消耗在电阻上。

如图6所示，所述第二泄放器包括：NPN三极管Q6-Q8，二极管D5、D6，电阻R11-R16；

所述二极管D5、D6并联，所述NPN三极管Q7、Q8并联；驱动供电负电源负极与并联的二极管的阴极连接，并联的二极管的阳极通过电阻R12与NPN三极管Q6的发射极连接；所述NPN三极管Q6的基极通过电阻R11与驱动供电负电源负极连接，集电极与模拟地连接；

NPN三极管Q7的基极通过电阻R13与NPN三极管Q6发射极连接，集电极通过电阻R14与模拟地连接，发射极通过电阻R15与并联的二极管的阳极连接；

NPN三极管Q8的基极通过电阻R13与NPN三极管Q6发射极连接，集电极通过电阻R14与模拟地连接，发射极通过电阻R16与并联的二极管的阳极连接；

所述并联的二极管的阳极与所述NPN三极管Q2集电极连接；

所述电阻R14为多个电阻并联的电阻网络。

所述三极管Q6-Q8为功率管。当正常工作时，三级管Q6-Q8不导通，当出现回馈能量时，回馈电压使得Q6导通，进而使得功率管Q7和Q8导通，将能量消耗在电阻上。

在所述磁力矩器线圈的供电回路中串联有采样电阻R16，所述电流采集电路采集采样电阻R16的电压值，经过滤波、放大和隔离放大后，通过A/D转换电路，得到线圈电流采样值。

所述采样电阻R16为小电阻，优选电阻值为2.5欧姆，可通过多个并联电阻实现。

具体的，所述电流采集电路用来采集与磁力矩器线圈串联的采样电阻R16两端的电压值，电压信号通过电压采集电路被放大21倍，然后被高精度AD7656芯片采集。

所述电流采集电路包括顺序连接的第一滤波器、电压放大器，第二滤波器，隔离器和A/D转换器；

所述第一滤波器为RC滤波器，对从电阻R16上采集的电压值进行滤波；

所述电压放大器，为反向比例放大器，对滤波后的电压信号进行放大；

所述第二滤波器为两级串联的RC滤波器，对放大后的电压信号进行滤波；

所述隔离器为射随器，连接在所述第二滤波器和A/D转换器之间；

所述A/D转换器，用于将隔离后的电压信号进行A/D转换输出采集电流的数字信号。

具体的，电流采集电路如图7所示。图8为A/D转换器电路图。

具体的，通过恒温箱对所述三轴磁力矩器的三个磁力矩线圈电阻值随温度的变化性能进行测量，得到磁力矩线圈电阻值随温度变化的函数，存储于磁组件控制单元中；

测试方法：将磁力矩器线圈放在恒温箱中，连接好外电路。设置恒温箱的温度为某固定值，待恒温箱中的温度稳定后，读取通过磁力矩器线圈的电流、磁力矩器的端电压。改变恒温箱的温度值，重复上述实验。

通过测试得到磁力矩器的电阻值随温度升高的特征，对温度与电阻值的测试数据进行拟合，将磁力矩器线圈电阻值R随温度Q变化拟合成一条过设定温度值下对应电阻(Q

具体的，在本实施例中的，在温度补偿中，通过控制不同温度下磁力矩线圈中流过的电流不变，来保持磁力矩线圈中产生的磁矩不变。

在设定温度Q

在温度补偿时，使磁矩输出恒定为10Am

采集当前温度，根据温度补偿的直线方程，得到当前的温度值对应的当前磁力矩器线圈电阻值R

在控制器的磁矩控制中，根据目标磁矩指令控制信号中的目标磁矩值，计算出当前温度下需要加到磁力矩器线圈的电压值；根据采集的当前磁力矩器线圈电流值I

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。