一种适用卫星S轴的结构与控制双备份反作用飞轮系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种适用卫星S轴的结构与控制双备份反作用飞轮系统及控制方法，包括六个数字霍尔传感器、两个飞轮轮体、两个直流无刷电机和一个具有冷备份功能的控制系统板；其中，两个飞轮轮体分别位于卫星的S轴的上下两端，平行排列，并均与具有冷备份功能的控制系统板相连；每三个数字霍尔传感器彼此互为空间120

【技术实现步骤摘要】
一种适用卫星S轴的结构与控制双备份反作用飞轮系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及一种适用卫星S轴的结构与控制双备份反作用飞轮系统及控制方法，属于空间执行机构


技术介绍

[0002]卫星及相关技术正应用于通信、导航、遥感、空间科学实验等领域，但是太空中因为太空射线辐射等原因会对卫星部件造成永久性损伤，导致卫星的使用寿命较短，提升可靠性的同时降低成本，是卫星技术获得更广泛应用的前提。反作用飞轮(以下简称“飞轮”)是卫星上不可或缺的姿态控制机构，其可靠性决定了卫星的姿态的可控性。现有飞轮几乎均采用单电路控制系统与单轮体结构，在三个正交轴进行飞轮排布，这种模式可靠性欠佳，因为一旦太空辐照等外部因素对飞轮控制的电学器件造成损伤或因轴承失效导致结构失效则整套飞轮控制系统会陷入停摆状态，进而失去了对卫星姿态的调控能力，例如对光学成像卫星而言，失去卫星的姿态控制能力则意味着对卫星的光学相机载荷指向方向失去控制，导致无法获取目标成像。
[0003]为了提高反作用飞轮姿态调控系统的可靠性，使卫星在轨服役时间更长，通常采取的措施是选用更高的抗辐照度器件，这样虽可以达到一定程度上使用寿命的延长，但是宇航级器件的成本呈指数级增加。
[0004]国内外许多研究者开展了反作用飞轮系统的可靠性设计研究。房晓伟，陈茂胜，孔令波，孙金傲.基于FPGA的高可靠反作用飞轮控制算法研究[J].测试技术学报,2020,第34卷(1):83
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88，92提出了基于现场可编程门阵列(FPGA)研究了高可靠反作用飞轮控制方法。殷明.飞轮电机电磁设计及其性能分析研究[D].东南大学,2019对飞轮电机的结构进行分析和改进。现有的提高反作用飞轮系统可靠性的方法，大多通过单一的优化控制算法与选用更高的抗辐照度器件实现或单一地优化飞轮电机的结构实现更高的可靠性，优化算法时一般需要FPGA等昂贵的电子元件，造价极高，同时进行选用的电子器件均为不可更换的，一旦损坏整个反作用飞轮工作系统会陷入瘫痪；单一对电机结构进行优化时又不能保证电子控制系统的可靠性。
[0005]有鉴于此，设计一种适用卫星S轴的结构与控制双备份反作用飞轮系统是十分有必要的。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种适用卫星S轴的结构与控制双备份反作用飞轮系统及控制方法，适用卫星S轴的飞轮结合卫星上自带的磁力矩器在降低飞轮数量的同时采用了飞轮轮体结构的热备份，控制系统冷备份的形式，热冷双备份的设计思路极大地提高了飞轮的可靠性，延长了飞轮的使用寿命，飞轮个数的减少与控制系统电路的优化降低了卫星成本，进一步提升了微小卫星低成本的优势。
[0007]术语解释：
[0008]1、STM32核心处理器：STM32核心处理器为专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM
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M0，M0+，M3,M4和M7内核的32位微控制器。
[0009]2、MOSFET阵列：MOSFET阵列是由很多MOSFET晶体管集成的由栅极电压控制的电学隔离阵列，若阵列为NMOS阵列，则栅极处电压为高电压时晶体管导通，栅极为低电压时晶体管关断。
[0010]3、MOS管：即金属—氧化物—半导体场效应晶体管，是MOSFET晶体管的简称，为一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管，为具有源极，漏极和栅极的三端器件，在栅极上施加合适的电压后，源极与漏极之间会导通，此时MOS管的源极与漏极相当于导线的两端。
[0011]4、ADC：模拟数字转换器的简称，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。
[0012]5、GPIO：即通用输入/输出端口，可以通过它们输出高低电平或者通过它们读入引脚的状态(高电平/低电平)。
[0013]6、PWM：即脉宽调制技术，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
[0014]7、UART：即通用异步收发传输器，是一种通用串行数据传输总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。
[0015]8、PCB：即印制电路板，又称印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气相互连接的载体。
[0016]9、S轴：在直角坐标系下该轴正向与直角坐标系X轴、Y轴、Z轴正向均成54.7
°
夹角。
[0017]10、CAN：CAN(controller area network)是国际上应用最广泛的现场总线之一
[0018]11、地心惯性参考系：在空间保持静止或匀速直线运动(无加速度)的坐标系称为惯性坐标系；满足如下条件则被称为地心惯性参考系：1)地球质心为坐标系原点，2)z轴沿着地球自转轴指向协议地极，3)x轴位于赤道平面内,并指向春分点，4)y轴符合右手笛卡儿坐标系。
[0019]12、电机极对：转子内衬的磁铁各有自己的北极和南极，其中只有一个端面向定子并与定子相互作用。有相同数量的南北磁体面向转子，每组N和S磁体称为“极对”，例如电机具有1个北极磁体和1个南极磁体称为1个极对的电机。
[0020]本专利技术的技术方案如下：
[0021]一种适用卫星S轴的结构与控制双备份反作用飞轮系统，包括六个数字霍尔传感器、两个飞轮轮体、两个直流无刷电机和一个具有冷备份功能的控制系统板；
[0022]其中，两个飞轮轮体分别位于卫星的S轴的上下两端，平行排列，并均与具有冷备份功能的控制系统板相连；每三个数字霍尔传感器彼此互为空间120
°
对称地安装在一个飞轮轮体的定子上，飞轮轮体固定在直流无刷电机的转子上，直流无刷电机与具有冷备份功能的控制系统板均固定在飞轮系统外壳上。
[0023]根据本专利技术优选的，所述具有冷备份功能的控制系统板包括三个核心处理器STM32、四组集成驱动、四个电流传感器和两个MOSFET开关阵列，三个核心处理器STM32包括STM32
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X、STM32
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Y、STM32
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Z，四组集成驱动包括第一集成驱动、第二集成驱动、第三集成驱
动、第四集成驱动，四个电流传感器包括第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器，两个MOSFET开关阵列包括MOSFET开关阵列A和MOSFET开关阵列B，均集成在一张PCB电路板上，PCB电路板接口与直流无刷电机、数字霍尔传感器之间使用导线连接。
[0024]STM32
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X与STM32
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Y型号相同，STM32
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X与STM32
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Y中每个核心处理器至少集成有两组独立ADC、一个UART、十八个GPIO信号接口和产生十二路PWM波的功能模块；
[0025]两组独立ADC包括ADCX、ADCY，ADCX与第一电流传感器的信号输出接口相连，ADCY与第二电流传感器的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用卫星S轴的结构与控制双备份反作用飞轮系统，其特征在于，包括六个数字霍尔传感器、两个飞轮轮体、两个直流无刷电机和一个具有冷备份功能的控制系统板；其中，两个飞轮轮体分别位于卫星的S轴的上下两端，平行排列，并均与具有冷备份功能的控制系统板相连；每三个数字霍尔传感器彼此互为空间120
°
对称地安装在一个飞轮轮体的定子上，飞轮轮体固定在直流无刷电机的转子上，直流无刷电机与具有冷备份功能的控制系统板均固定在飞轮系统外壳上。2.根据权利要求1所述的一种适用卫星S轴的结构与控制双备份反作用飞轮系统，其特征在于，所述具有冷备份功能的控制系统板包括三个核心处理器STM32、四组集成驱动、四个电流传感器和两个MOSFET开关阵列，三个核心处理器STM32包括STM32
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X、STM32
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Y、STM32
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Z，四组集成驱动包括第一集成驱动、第二集成驱动、第三集成驱动、第四集成驱动，四个电流传感器包括第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器，两个MOSFET开关阵列包括MOSFET开关阵列A和MOSFET开关阵列B，均集成在一张PCB电路板上，PCB电路板接口与直流无刷电机、数字霍尔传感器之间使用导线连接；STM32
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X与STM32
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Y型号相同，STM32
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X与STM32
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Y中每个核心处理器至少集成有两组独立ADC、一个UART、十八个GPIO信号接口和产生十二路PWM波的功能模块；两组独立ADC包括ADCX、ADCY，ADCX与第一电流传感器的信号输出接口相连，ADCY与第二电流传感器的信号输出接口相连，在十八个GPIO信号接口中，六路GPIO信号接口与第一集成驱动的控制信号输入接口相连，六路GPIO信号接口与第二集成驱动的控制信号输入接口相连，三路GPIO信号接口与MOSFET开关阵列A的霍尔隔离阵列x相连，分别通过霍尔隔离阵列x接收被安装在电机x下方的三个数字霍尔传感器的电压信息，另外三路GPIO信号接口与MOSFET开关阵列A的霍尔隔离阵列y相连，分别通过霍尔隔离阵列y接收被安装在电机y下方的三个数字霍尔传感器的电压信息；两个直流无刷电机包括电机x和电机y；STM32
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Z至少集成有一个CAN模块、两个UART、四个GPIO信号接口，CAN模块与飞轮星上接口相连，用于与姿态控制下位机通信，两个UART包括第一UART和第二UART，第一UART与STM32
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X的UART相连，用于STM32
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X与STM32
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Z的通信，第二UART与STM32
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Y的UART相连，用于STM32
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Y与STM32
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Z的通信，四个GPIO信号接口中，两路GPIO信号接口分别连接MOSFET开关阵列A的控制栅极x与控制栅极y，对MOSFET开关阵列A实现控制与供电，另外两路GPIO信号接口分别连接MOSFET开关阵列B的控制栅极x与控制栅极y，对MOSFET开关阵列B实现控制与供电。3.根据权利要求2所述的一种适用卫星S轴的结构与控制双备份反作用飞轮系统，其特征在于，每组独立的ADC，用于采集电流模拟信号，进而解算出采样电流数字信号；每组集成驱动,用于响应核心处理器STM32输出的PWM控制电压,从而实现对飞轮的转速和力矩电流的实时控制；每个电流传感器,用于串联在其所对应的集成驱动和飞轮轮体间的主回路中,从而获得采样电流模拟信号,采样电流模拟信号经运放放大后输出给对应的一组ADC。4.根据权利要求2所述的一种适用卫星S轴的结构与控制双备份反作用飞轮系统，其特征在于，主控制系统包括STM32
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X、第一集成驱动、第二集成驱动、第一电流传感器、第二电流传感器；其中，第一集成驱动与第一电流传感器为电机x及飞轮轮体x的电路控制部分，第二集成驱动与第二电流传感器为电机y及飞轮轮体y7的电路控制部分；两个飞轮轮体包括飞轮轮体x和飞轮轮体y7；
冷备份控制系统包括STM32
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Y、第三集成驱动、第四集成驱动、第三电流传感器、第四电流传感器；两个MOSFET开关阵列用于执行主控制系统与冷备份控制系统之间的隔离任务；MOSFET开关阵列A包括驱动隔离阵列x、霍尔隔离阵列x、驱动隔离阵列y、霍尔隔离阵列y、控制栅极x、控制栅极y；其中，驱动隔离阵列x与霍尔隔离阵列x分别包括三个MOSFET晶体管，这六个MOSFET晶体管的栅极互连形成控制栅极x，驱动隔离阵列x的三个MOSFET晶体管的源极分别与第一集成驱动的U、V、W三个驱动输出接口相连，驱动隔离阵列x的三个MOSFET晶体管的漏极分别与电机x的U、V、W三个驱动输入接口相连，霍尔隔离阵列x的三个MOSFET晶体管的源极分别与STM32
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X的三路GPIO信号接口相连，霍尔隔离阵列x的三个MOSFET晶体管的漏极分别与电机x下方安装的三个数字霍尔传感器的三个信号输出接口相连，在控制栅极x处施加的电压高低控制驱动隔离阵列x与霍尔隔离阵列x中MOSFET晶体管的源极与漏极之间的导通与关断，实现对飞轮轮体x的主控制系统的导通与关断；驱动隔离阵列y与霍尔隔离阵列y分别包括三个MOSFET晶体管，这六个MOSFET晶体管的栅极互连形成控制栅极y，驱动隔离阵列y的三个MOSFET晶体管的源极分别与第二集成驱动的U、V、W三个驱动输出接口相连，驱动隔离阵列y的三个MOSFET晶体管的漏极分别与电机y的U、V、W三个驱动输入接口相连，霍尔隔离阵列y的三个MOSFET晶体管的源极分别与STM32
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X的三路GPIO信号接口相连，三个MOSFET晶体管的漏极分别与电机y下方安装的三个数字霍尔传感器的三个信号输出接口相连，在控制栅极y处施加的电压高低控制驱动隔离阵列y与霍尔隔离阵列y中MOSFET晶体管的源极与漏极之间的导通与关断，实现对飞轮轮体y7的主控制系统的导通与关断。5.根据权利要求2所述的一种适用卫星S轴的结构与控制双备份反作用飞轮系统，其特征在于，STM32
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X接收STM32
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Z下达的指令信息，与当前转速信息对比后，转化为具体的PWM电压控制信号，同时，STM32
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X通过自检信息判断主控制系统功能与飞轮轮体是否正常，若不正常，则通过UART通信上报STM32
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Z，通过STM32
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Z控制MOSFET开关阵列A和MOSFET开关阵列B，将出现问题的电机与飞轮轮体的控制驱动系统切换为STM32
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Y对应的冷备份控制系统；STM32
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Z用于接受星载中心计算机下发到姿态控制下位机，发送至飞轮驱动系统的指令信息，并上报转速、加速度，是否启用备份系统等信息，同时接收STM32
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X与STM32

【专利技术属性】
技术研发人员：杨林，张智腾，王岩松，丁鑫然，仪明洋，姚怡康，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：