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一种控制力矩陀螺控制器

2021-03-22 09:05:50

一种控制力矩陀螺控制器

  技术领域

  本发明涉及航天执行机构控制器技术领域,具体涉及一种控制力矩陀螺控制器。

  背景技术

  控制力矩陀螺由本体和控制器两部分组成,对控制力矩陀螺本体的控制是通过控制器实现的。控制器通过接收星上计算机发送来的速度与位置等指令,调整控制力矩陀螺本体的内框转速以及外框架组件速度和位置,达到与星体交换角动量输出控制力矩的目的;同时控制器通过向星上计算机输出电机电流、转速、位置等信息,便于姿控分系统做算法解算;控制器还通过地面测试接口向地面测试设备输出电机电流、转速、位置等信息,并提供试验过程中产品状态的监测。

  由控制力矩陀螺工作原理可知,其控制器需具备外框低速高精度驱动控制、内框高速稳定控制、本体及驱动器数据采集状态监测和与星上计算机(地面测试设备)信息交互等功能;不同模块供电电压需求不同,且模块间存在大量数据交互需求,传统的驱动器体积、重量大,模块间装配调试工艺性差,难以兼顾力学性能和热学性能。卫星控制力矩陀螺常用的有2~6通道不同构型配合使用并且冗余备份方案,传统的控制器可扩展性及通用性不强。而且由于不同轨道应用需求,及不同规格控制力矩陀螺供电需求差异(比如角动量范围为5Nms~70Nms,转速范围0~9500rpm的不同规格控制力矩陀螺,技术方案相同),从而控制器往往因为个别元器件封装差异导致驱动器种类增加,难以定型量产,具有较大应用局限性,从而也制约产品质量控制。

  发明内容

  为了克服传统的控制器体积、重量大,模块间装配调试工艺性差,难以兼顾力学性能和热学性能,可扩展性、通用性不强,定型量产困难等问题,本发明提出了一种控制力矩陀螺控制器。

  本发明提出的控制力矩陀螺控制器包含第一盖板、第二盖板、模块组件以及若干连接杆和螺母;

  所述模块组件位于第一盖板和第二盖板之间,模块组件与第一盖板、模块组件与第二盖板通过凸凹结构嵌合连接形成控制器盒体,多根连接杆贯穿第一盖板、模块组件和第二盖板,每根连接杆两端分别设置螺母,使得第一盖板、模块组件和第二盖板夹紧固定;

  所述模块组件包含一个单模块或并列设置的多个单模块;

  所述单模块为矩形框结构,进一步包含上框板以及与上框板相对设置的下框板,第一侧板以及与第一侧板相对设置的第二侧板;

  在连接杆方向,每个单模块上框板或下框板的一侧设有凹槽,另一侧设有凸台,相邻的上框板或下框板通过凹槽和凸台嵌合,使得每个单模块与相邻单模块嵌合连接形成模块组件;

  第一盖板或第二盖板与相邻单模块上框板或下框板的连接处设置有凹槽或凸台,使得第一盖板或第二盖板与模块组件嵌合连接形成控制器盒体。

  优选地,在连接杆方向,单模块上框板的凹槽与相邻单模块上框板凸台嵌合连接,同时下框板的凸台还与该相邻单模块下框板凹槽嵌合连接;

  或单模块上框板的凸台与相邻单模块上框板凹槽嵌合连接,同时下框板的凹槽还与该相邻单模块下框板凸台嵌合连接,使得每个单模块与相邻单模块嵌合连接。

  优选地,所述单模块、第一盖板和第二盖板上设有第一通孔使连接杆穿过;

  单模块的上框板或下框板上设有若干向框内凸出的第一凸块,第一凸块上沿连接杆方向开设第一通孔;或单模块夹角处的连接部上沿连接杆方向开设第一通孔;

  所述第一盖板或第二盖板,在单模块第一通孔对应位置处开设相同通孔。

  优选地,所述单模块中还包含连接筋和散热板;

  连接筋设置于上框板和下框板之间,连接上框板和下框板;

  所述散热板设置在下框板内壁上,用来安装固定大功率元器件。

  优选地,所述单模块上设有第二安装孔;

  所述第一侧板或第二侧板设有若干向框内凸出的第二凸块,第一凸块上开设第二安装孔;或所述连接筋上设若干第二凸块或结节,在第二凸块或结节上开设第二安装孔;

  所述第二安装孔用来安装电路板,包括内框驱动控制电路板和外框测角信息处理电路板。

  优选地,所述单模块还安装有外框电路版,所述外框电路版通过板件接插件与内框驱动控制电路板、外框测角信息处理电路板连接固定;

  所述散热板、外框电路板、内框驱动控制电路板以及外框测角信息处理电路板具有兼容性,包含大腰形孔接口、多插孔接口,用于安装不同的封装元器件。

  优选地,所述外框电路板的接口通讯软件中增加注数指令,控制力矩陀螺本体常值参数加入地面测试设备或星载计算机的注数指令中。

  优选地,所述单模块下框板的两端分别伸出第一侧板和第二侧板,且两端分别开设第一安装孔,用来将控制器安装固定在卫星上。

  优选地,单模块的上框板外壁设有插接件,用来与星上计算机或地面测试设备传输电信号。

  优选地,所述连接杆至少两端设置螺纹用来连接螺母;所述螺母为盖形螺母。

  与现有技术相比,本发明提供的控制力矩陀螺控制器的益处或优势有:

  (1)本发明提供的控制力矩陀螺控制器中,单模块独立驱动控制一套本体,采用多套(根据卫星配置需求通常为1~6套)单模块共用一套盖板(第一盖板和第二盖板)连接固定,有效减小控制器整体体积和重量;同时单模块和盖板采用凹凸结构定位嵌合连接,即保证装配精度,又能够很好地防止杂物进入控制器内部;

  (2)本发明提供的控制力矩陀螺控制器中,电源模块、外框控制模块、接口通讯模块、内外框信息交互模块集中布置于外框电路板上,外框电路板与内框驱动控制电路板、外框测角信息处理电路板通过板间接插件定位连接,共同安装于同一矩形框结构(单模块)上,没有板间飞线操作,装调工艺性提高,易于生产安装;模块整合减小了控制器体积重量,保证结构刚度,提高产品抗力学性能;

  (3)本发明提供的控制力矩陀螺控制器中,大功率元器件集中安装于下框板的散热板上,各单模块通过下框板两端开设的安装孔拧紧固定于卫星安装板上,使控制力矩陀螺控制器热量能够通过较快热传导途径传递出去,提高产品热可靠性;

  (4)本发明提供的控制力矩陀螺控制器中,散热板、外框电路板兼容多款不同控制力矩陀螺本体及卫星型号需求的元器件封装,使不同控制力矩陀螺本体及卫星型号能够以偏离或选配的形式选择使用元器件,以满足不同的使用要求而不用更改产品技术状态,提高了产品的通用性和兼容性,同时减少了产品技术状态,能够提高产品生产可靠性,有利于批量化生产;

  (5)本发明提供的控制力矩陀螺控制器中,单模块的接口通讯模块通过软件设置注数指令接口,用来接收本体常值参数,并加入注数控制指令,取消软件配置差异项或者可调电阻差异选项,使各单模块硬件和软件组成完全相同,能够实现控制器单模块无差异化生产,避免生产过程中的参数传递错误,而且使产品生产界面清晰,能够提高产品生产效率和质量;同时,也能避免本体返工带来的常值参数变化导致的控制器返工,提高产品可维修性。

  附图说明

  图1为本发明实施例中控制力矩陀螺控制器三维视图;

  图2为本发明实施例中控制力矩陀螺控制器的主视图;

  图3为本发明实施例中控制力矩陀螺控制器的俯视图;

  图4为本发明实施例中控制力矩陀螺控制器的右视图;

  图5为本发明中第一盖板、第二盖板与单模块上框板或下框板的凹凸嵌合连接示意图;

  图6为本发明中单模块的下框板示意图;

  图7为本发明中单模块的左视图;

  图8为本发明中单模块的右视图;

  图9为现有技术中一款大功率元器件和PCB接口设计示意图;

  图10为本发明中两款大功率元器件和PCB兼容性接口设计示意图;

  图11为本发明中两款大功率元器件和散热板兼容性接口设计示意图;

  图12控制力矩陀螺本体常值参数作为软件配置项对应的产品研制流程;

  图13控制力矩陀螺本体常值参数作为硬件电路配置项对应的产品研制流程;

  图14控制力矩陀螺本体常值参数作为注数指令对应的产品研制流程。

  具体实施方式

  以下结合附图,通过详细说明具体实施例对本发明作进一步介绍。

  本发明提出的控制力矩陀螺控制器主要包含第一盖板1、第二盖板2、模块组件以及若干连接杆4和螺母5,所述模块组件位于第一盖板1和第二盖板2之间,模块组件与第一盖板1、模块组件与第二盖板2通过凸凹结构嵌合连接形成控制器盒体,多根连接杆4穿过控制器盒体上的第一通孔,贯穿第一盖板1、模块组件和第二盖板2,并在连接杆4两端螺旋连接螺母5,使得第一盖板1、模块组件和第二盖板2夹紧固定,如图1所示。每个连接杆4至少两端设置螺纹用来连接与之配套的螺母5;所述螺母5为盖形螺母。

  所述模块组件包含一个单模块3,或并列设置的多个单模块3,每个单模块3的尺寸大小相同。图1为本发明提出的控制力矩陀螺控制器的三维视图,图1中模块组件包含三个单模块3,本发明以包含三个单模块的控制力矩陀螺控制器为实施例进行详细说明介绍;图2为本发明实施例中控制力矩陀螺控制器的主视图,图2所示为第一盖板1。

  所述单模块3为一体成型的矩形框结构,进一步包含下框板6和上框板7、第一侧板8和第二侧板9,其中上框板7与下框板6相对设置,第一侧板8与第二侧板9相对设置。

  所述单模块3还包含散热板10和连接筋11;其中,所述散热板10设置在下框板6的内壁上,用来安装固定大功率元器件;所述连接筋11设置于上框板7和下框板6之间,连接上框板7和下框板6。所述上框板7的外壁上设有若干插接件C,如图3所示,所述插接件C用来与星上计算机或地面测试设备传输电信号。图3为本发明实施例中控制力矩陀螺控制器的附视图;图4为本发明实施例中控制力矩陀螺控制器的右视图。d0

  模块组件中,沿连接杆方向,每个单模块上框板7或下框板6的一侧设有凹槽B,另一侧设有凸台A,相邻的上框板7或下框板6通过凹槽和凸台嵌合,使得每个单模块与相邻单模块嵌合连接形成模块组件。具体的,如图5所示,在连接杆方向,单模块上框板的凹槽B与相邻单模块上框板凸台A嵌合连接,同时下框板的凸台A还与该相邻单模块下框板凹槽B嵌合连接;或单模块上框板的凸台A与相邻单模块上框板凹槽B嵌合连接,同时下框板的凹槽B还与该相邻单模块下框板凸台A嵌合连接,使得每个单模块与相邻单模块嵌合连接。

  第一盖板1与相邻单模块上框板的连接处设置有凹槽B,并与该相邻单模块上框板的凸台A嵌合连接;同时第一盖板1与该相邻单模块下框板的连接处设置有凸台A,并与该相邻单模块下框板的凹槽B嵌合连接。

  同样地,第二盖板2与相邻单模块上框板的连接处设置有凸台A,并与该相邻单模块上框板的凹槽B嵌合连接;同时第二盖板2与该相邻单模块下框板的连接处设置有凹槽B,并与该相邻单模块下框板的凸台A嵌合连接。如图5所示,第一盖板1和第二盖板2通过凹凸结构与模块组件嵌合连接,从而形成控制器盒体结构。采用凹凸结构进行嵌合连接,方便准确定位、保证装配精度,同时还能够很好地防止多余杂物进入控制器内部,产品使用更灵活方便。

  所述单模块3、第一盖板1和第二盖板2上开设有第一通孔C0。具体的,本发明实施例中单模块于四个夹角处的连接部上分别沿连接杆方向开设第一通孔C0;和/或在上框板7、下框板6上设置若干第一凸块,第一凸块向框内凸出,各第一凸块上分别沿连接杆4方向开设第一通孔C0,如图7所示。

  所述第一盖板1和第二盖板2,在单模块的第一通孔对应位置处同样开设有第一通孔C0,从而连接杆4穿过第一通孔C0,贯穿第一盖板1、模块组件和第二盖板2,即穿控制器盒体。

  图6为单模块中下框板6示意图,在单模块的矩形框结构中,下框板6的两端分别伸出第一侧板8和第二侧板9,且两端分别开设第一安装孔C1,用来将控制器安装固定在卫星散热面板上。在单模块的矩形框内,下框板6内壁上设置有散热板10,如图7所示。大功率元器件如电容、电阻、二极管和三家管等,集中安装在散热板10上,从而大功率元器件产生的热量能够通过较快热传导途径传递到卫星散热面板上,提高控制力矩陀螺控制器的热可靠性。

  所述单模块3上还开设有第二安装孔C2,所述第二安装孔C2用来安装电路板,包括内框驱动控制电路板13和外框测角信息处理电路板14。具体的,如图7和图8所示,在本发明实施例中所述单模块3的第一侧板8和第二侧板9上设置若干第二凸块,第二凸块向框内凸出,各第二凸块上分别开设第二安装孔C2;或在两根连接筋11上设置若干第二凸块或结节,在各第二凸块或结节上分别开设第二安装孔C2。如图8所示,所述内框驱动控制电路板13和外框测角信息处理电路板14通过第一侧板8、第二侧板9和连接筋11上开设的第二安装孔C2固定在单模块3的同一侧面。

  所述单模块3的另一侧面还安装设置有外框电路版12。具体的,所述内框驱动控制电路板13上设有板间接插件D1,外框测角信息处理电路板14设有板间接插件D2,所述外框电路版12上设置有与D1、D2配套的板间接插件D0,外框电路版12通过板间接插件定位安装到单模块3上。外框电路板12集中布置了电源模块、外框控制模块、接口通讯模块、内外框信息交互模块。

  外框电路板12通过板间接插件与内框驱动控制电路板13和外框测角信息处理电路板14共同固定于同一单模块主框架上,由于没有板间飞线,产品装调工艺性提高,易于生产安装,并且通过模块整合不但减小控制器体积重量,而且能够很好地保证结构刚度,提高产品抗力学性能。

  本发明实施例中控制力矩陀螺控制器在设计过程中充分考虑不同规格控制力矩陀螺本体和不同卫星型号元器件需求,使控制器更具兼容性和通用性。兼容性设计包括大功率元器件散热板安装接口e1兼容设计,和PCB(电路板)元器件接口e4兼容设计,通过散热板腰形孔设计和PCB多元器件接口设计,使得控制力矩陀螺控制器可兼容元器件安装使用e2,也可以兼容元器件(封装如图9所示)安装使用e3。所兼容元器件包含大功率电阻、电源、金氧半场效晶体管等。图9为现有技术中一大功率元器件和PCB接口设计示意图;图10为本发明中两款大功率元器件和PCB兼容性接口设计示意图;图11为两款大功率元器件和散热板兼容性接口设计示意图。

  通过兼容性设计,本发明所述控制力矩陀螺控制器在电装过程中能够根据不同的研制需求安装不同的封装元器件,提高了产品的通用性和兼容性,同时减少了产品技术状态,能够提高产品生产可靠性,有利于批量化生产。

  由于控制力矩陀螺本体具有较高的框架指向精度和控制精度需求,而本体装配有限,因此本体装配完成后会存在零位的常值参数偏差,所述常值参数偏差需在使用过程中消除,不同的控制力矩陀螺本体常值参数处理方案对应的产品研制流程不相同。

  控制力矩陀螺本体常值参数作为软件配置项消除,相应的产品研制流程如图12所示:首先完成控制器电装,然后等待本体装配完成并测量得到本体常值参数,进而将测得的常值参数换算为软件配置项烧录进调试板,然后将调试板装配进入单模块,与本体进行联调测试,测试完成后进行软件出入库及固化落焊,最后一块进行环境试验和交付测试。

  控制力矩陀螺本体常值参数作为硬件电路配置项消除,相应的产品研制流程如图13所示:首先完成控制器电装,然后等待本体装配完成并测量得到常值参数,进而将测得的常值参数换算为硬件配置项(不同阻值的可调电阻),将选定的可调电阻电装至单模块上,与本体进行联调测试,测试完成后将可调电阻固化为精密电阻,并固化落焊软件,最后一块进行环境试验和交付测试。上述两个产品研制方案的本体和控制器单模块必须配套使用,不具备通用性。

  本发明中将控制力矩陀螺本体常值参数作为注数指令消除,将本体装配测量后得到的常值参数作为常量传递给测试设备,直接在产品测试过程中使用,本体与控制器的环境试验分别配合工艺控制器与工艺本体完成,试验合格后进行交付,具体研制流程如图14所示。

  本发明的产品研制方案使得控制器单模块可更换使用,本体和控制器研制过程完全并行,减少串行研制等待环节,能够实现控制器单模块无差异化生产,避免生产过程中的参数传递错误,而且使产品生产界面清晰,能够提高产品生产效率、质量和可维修性能。

  本发明提供的模块化通用化控制力矩陀螺控制器,各单模块可独立驱动控制一套控制力矩陀螺本体使用,接口统一,可组合应用扩展为多模块一体驱动器;单模块驱动器内部线路模块整合,用一个结构框架支撑固定,保证良好的装配工艺性和结构刚度、导热性能;线路板采用多封装接口兼容设计,扩大产品可用元器件兼容范围,拓展产品通用性;通过软件接口设计,将控制力矩陀螺本体差异控制参数由系统计算机注数控制,从而保证各控制器模块软硬件的完全统一,提高产品通用性,使控制力矩陀螺控制器可脱离本体完全独立生产,避免生产过程中的参数传递错误,而且使产品生产界面清晰,能够提高产品生产效率和质量。

  尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

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