徐勤超

(北京控制工程研究所，北京 100190)

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基于變延時自換向保護的大型磁力矩器控制電路設(shè)計

徐勤超

(北京控制工程研究所，北京 100190)

大型磁力矩器工作時需要較大的驅(qū)動電壓和電流，并且換向時會產(chǎn)生較大的反電動勢.設(shè)計一種基于變延時自換向保護的大型磁力矩器控制電路，換向檢測電路生成換向檢測信號，利用驅(qū)動磁力矩器的H橋形成瀉放回路，根據(jù)磁力矩器的工作狀態(tài)產(chǎn)生不同的延時，解決磁力矩器控制信號換向時產(chǎn)生大反電動勢的問題，提高了磁力矩器的工作效率，保證磁力矩器驅(qū)動線路安全可靠.通過Saber軟件仿真驗證了控制電路的正確性.

大型磁力矩器；控制電路；變延時；換向保護.

0 引 言

磁力矩器作為空間飛行器控制系統(tǒng)中重要的一種執(zhí)行機構(gòu)，由于其重量輕、可靠性高，只消耗電能等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于低中高軌道衛(wèi)星[1-5].磁力矩器驅(qū)動線路用于接收計算機的控制指令，產(chǎn)生額定大小和方向的驅(qū)動電流，激勵磁力矩器輸出特定大小和方向的磁矩.大型磁力矩器具有較大額輸出磁矩，主要用于大平臺衛(wèi)星、空間站等空間飛行器.大型磁力矩器自身具有較大的電感和電阻，并且工作時需要較高的驅(qū)動電壓和較大的驅(qū)動電流.在磁力矩器電流換向瞬間會產(chǎn)生較大的反電動勢，如果此反電動勢處理不好，容易損壞控制線路.大型磁力矩器驅(qū)動線路需要解決線路功耗、反電動勢等難點.采用H橋的控制方案，可以實現(xiàn)大磁矩磁力矩器的控制，具有功耗小，控制簡單等優(yōu)點[1]，但是該線路的控制信號不可以直接換向.處理大型磁力矩器換向的通常做法有:(1)控制信號在換向時先置零一段時間，這種方法增加了產(chǎn)品的使用復(fù)雜性并存在安全隱患.(2)在驅(qū)動線路中增加一個固定最大延時的電路，此方法的缺點是無論磁力矩器工作在什么狀態(tài)只要換向就要等待一個最長的時間，降低了產(chǎn)品的使用效率.

本文設(shè)計了一種基于變延時自換向保護的驅(qū)動線路，控制信號可以隨時換向，并且可以根據(jù)磁力矩器的工作狀態(tài)延時不同的時間，保證了大型磁力矩器的工作安全性和可靠性，提供了大型磁力矩器的使用效率.

1 大型磁力矩器驅(qū)動線路的組成

磁力矩器的輸出磁矩與驅(qū)動電流成正比，驅(qū)動電路采用恒流控制控制磁力矩器輸出磁矩.大型磁力矩器的驅(qū)動電壓和電流較大，基于變延時自換向保護的大型磁力矩器驅(qū)動線路采用H橋的控制方式，為了降低驅(qū)動線路的功耗，線路工作在PWM(pulse width modulation)方式下.線路主要包括：接口電路、算法電路、PWM信號電路、H橋驅(qū)動電路、方向電路、換向檢測電路、變延時電路、電流反饋電路和電流遙測電路，如圖1所示.

控制信號不換向時，換向檢測電路輸出低電平，變延時電路不工作，驅(qū)動線路根據(jù)控制算法驅(qū)動磁力矩器輸出與控制指令對應(yīng)的電流.控制信號換向時，變延時電路檢測磁力矩器中的電流檢測信號，如果磁力矩器電流大于安全閾值時，電流方向不變，換向檢測電路輸出高電平，算法電路輸出0信號，PWM信號電路輸出0，磁力矩器通過H橋構(gòu)成的瀉放回路以產(chǎn)品的最快速度進行電流瀉放，當磁力矩器電流下降到安全閾值時，變延時電路工作結(jié)束，驅(qū)動線路控制磁力矩器改變電流方向.如果磁力矩器電流小于安全閾值時，驅(qū)動線路直接控制磁力矩器改變電流方向.

圖1 大型磁力矩器驅(qū)動線路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the drivinge circuit of large magnetic torquer

2 大型磁力矩器驅(qū)動線路的設(shè)計

2.1 接口電路

接口電路包括電源接口和信號接口，電源接口對電源進行濾波和隔離，保證驅(qū)動線路不受電源上擾動信號的干擾.信號接口對多路控制信號進行濾波、限幅、相加以及絕對值運算.

2.2 算法電路

算法電路實現(xiàn)驅(qū)動線路的控制算法，算法電路對換向信號進行檢測，并根據(jù)換向信號為0或1輸出2種不同的結(jié)果.當換向信號為1時，算法電路輸出結(jié)果恒為0；當換向信號為0時，算法電路根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)信號和電流反饋信號根據(jù)PID控制算法，輸出PID控制結(jié)果.如圖2所示.

2.3 PWM信號電路

PWM信號電路通過對算法電路的輸出信號與三角波進行比較生成控制H橋驅(qū)動電路的PWM信號.

圖2 算法電路示意圖Fig.2 Diagram of algorithm circuit

2.4 H橋驅(qū)動電路

由于大型磁力矩器需要的驅(qū)動電壓和電流較大，磁力矩器驅(qū)動線路采用MOS管構(gòu)成的H橋的驅(qū)動方式.方向電路產(chǎn)生方向信號控制H橋不同橋臂的導通和關(guān)斷，控制磁力矩器電流的方向.PWM信號電路產(chǎn)生的PWM信號對H橋的上橋臂進行調(diào)制控制磁力矩器電流的大小.

圖3 H橋電路圖Fig.3 Schematic of H bridge

當磁力矩器電流由A到B時，PWM信號為高時，T1和T4導通，VDD驅(qū)動磁力矩器形成VDD—T1—A—磁力矩器—B—T4—地的電流回路；PWM信號為低時，T1關(guān)斷，T4由方向信號控制仍然導通，磁力矩器通過D1—A—磁力矩器—B—T4—地構(gòu)成續(xù)流回路.

2.5 方向電路

方向電路利用比較器把接口電路處理過的輸入信號與零電平進行比較，當控制信號大于0時，方向電路輸出低電平，當控制信號小于0時，方向電路輸出高電平.為了提高抗干擾能力，比較器設(shè)計成滯回比較器.

2.6 變延時電路和換向檢測電路

變延時電路和換向檢測電路由比較器、安全閾值設(shè)定電路、D觸發(fā)器、與門、異或門組成，如圖3所示.

圖4 變延時換向檢測電路原理圖Fig.4 Schematic of variable delay and reverse detection circuit

控制信號的方向發(fā)生改變時，變延時電路檢測磁力矩器的工作狀態(tài)，當工作電流大于安全閾值時，比較器U1A輸出低電平，時鐘信號與低電平相與無法輸出給D觸發(fā)器的CK端，方向信號無法通過D觸發(fā)器，D觸發(fā)器的Q輸出端即方向信號輸出保持不變.同時，換向檢測電路U4A檢測到控制信號方向發(fā)生了改變，產(chǎn)生高電平的換向信號輸出給算法電路，算法電路輸出0，PWM信號保持低電平，磁力矩器電流以磁力矩器電氣特性決定的最大速度進行瀉放.當電流下降到小于安全閾值時，比較器U1A輸出高電平，時鐘信號與高電平相與后施加到D觸發(fā)器的CK端，方向信號通過D觸發(fā)器輸出Q端，方向信號控制H橋電路中MOS管的導通順序，改變磁力矩器中的電流方向.換向檢測電路U4A檢測到D觸發(fā)器的D端和Q端相同，輸出低電平，變延時電路和換向檢測電路工作結(jié)束.當磁力矩器中電流小于安全閾值并且控制信號方向發(fā)生變化時，比較器U1A輸出高電平，方向信號可以直接通過D觸發(fā)器控制磁力矩器電流反向.

2.7 電流反饋電路

電流反饋電路通過串聯(lián)的采樣電阻對磁力矩器中的電流進行采樣，并經(jīng)過濾波和比例運算輸出電流信號，構(gòu)成電流負反饋控制電路.

2.8 電流遙測電路

電流遙測電路將磁力矩器中的電流信號，經(jīng)過采樣處理轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸出給采集電路，檢查大型磁力矩器驅(qū)動線路的工作狀態(tài).

2.9 安全閾值的選取

安全閾值的選取是電路正常工作的關(guān)鍵，如果安全閾值太高，不能起到保護作用，如果安全閾值選擇過低則可能造成過渡時間長、正常工作時被誤觸發(fā).安全閾值可以根據(jù)大型磁力矩器的電感和電流、電源電路中的濾波電容、電路響應(yīng)時間以及可以允許的電源電壓波動選取.安全閾值的選取原則是能量守恒原理

I2L=CU2

(1)

式中，I為安全閾值電流，L為磁力矩器電感，C為電路中的濾波電容，U為允許的電壓波動.

3 仿真驗證結(jié)果

Saber仿真軟件是美國Synopsys公司開發(fā)的專業(yè)仿真軟件，能構(gòu)造基于元器件級的實際物理模型，適用于混合信號系統(tǒng)/電路及電源設(shè)計，是混合信號系統(tǒng)分析領(lǐng)域的工業(yè)標準，不僅能夠進行頂層分析，也支持底層元器件的物理電路分析，能夠模擬電路在實際應(yīng)用中可能遇到的溫度變化、器件參數(shù)漂移、開關(guān)損耗等多種可能的器件行為，具有強大的數(shù)?；旌戏抡婺芰7-8].

磁力矩器仿真模型為電感10 H、電阻300 Ω，驅(qū)動電壓100 V.仿真結(jié)果圖5和6所示.控制信號由-5 V 直接調(diào)整為5 V后，換向檢測電路輸出了高電平，電流迅速下降，當磁力矩器中電流小于安全閾值時，方向信號輸出跟隨方向信號發(fā)生變化，換向檢測信號輸出低電平，磁力矩器電流實現(xiàn)方向變化，驅(qū)動電壓上幾乎沒有反電動勢的產(chǎn)生.

圖5 控制信號換向時相應(yīng)信號的變化Fig.5 Simulations of related signals when control signal reverses

圖6 控制信號換向時驅(qū)動電流與驅(qū)動電壓的仿真結(jié)果Fig.6 Simulations of driving current and voltage when control signal reverses

由仿真結(jié)果可知基于變延時自換向保護的大型磁力矩器驅(qū)動線路可以滿足大型磁力矩器工作時較大驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流的要求，并且保證線路控制信號方向發(fā)生變化時，磁力矩器根據(jù)當時的工作電流產(chǎn)生不同的延時信號，不會產(chǎn)生較大的反電動勢，線路簡單、工作可靠，可以滿足大型磁力矩器控制的要求.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了基于變延時自換向保護的大型磁力矩器驅(qū)動電路，電路采用MOS管構(gòu)成的H橋驅(qū)動電路，滿足了較大驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流的需求.電路在檢測到控制信號發(fā)生變化時控制磁力矩器電流下降到安全閾值內(nèi)再進行換向，電路不會產(chǎn)生大的反電動勢，解決了大磁矩磁力矩器驅(qū)動線路控制信號不能直接換向的問題.并可以根據(jù)磁力矩器的工作狀態(tài)產(chǎn)生不同的延時時間，提高了磁力矩器的使用效率，降低了磁力矩器的使用難度.控制線路簡單可靠，經(jīng)過仿真驗證了驅(qū)動電路的正確性和有效性.

[1] LAXNANA CHARY M, MOHANAKRISHNAN G, NAGABUSHANAM S. Optimization of magnetic torquer configuration[J]. Journal of Spacecraft Technology, 2000,10(1):34-39.

[2] MOHAMAD F M, MEHMDE M. Experimental evaluation of a magnetic torquer rod using an innovative test system[C]//The 4thInternational Conference on Experimental Mechanics. Singapore: SPIE，2010:1-8.

[3] MOHAMAD F M,MEHMDE M. Design and manufacturing of a research magnetic torquer rod[C]//Fourth International Conference on Experimental Mechanics. Singapore: SPIE, 2010:1-7.

[4] GUELMANA M， WALLERA R， SHIRYAEVA A， et al. Design and testing of magnetic controller for satellite stabilization[J]. Acta Astronautica, 2005,56:231-239.

[5] 孔慶松，趙光恒. 磁力矩器反饋控制電路設(shè)計與仿真[J]. 計算機仿真，2007，24(1):29-31. KONG Q S，ZHANG G H. Design and simulation of feedback control of magnetic torquer[J]. Computer Simulation，2007，24(1):29-31.

[6] 范佳堃,王友平,崔頳旻.大磁矩磁力矩器驅(qū)動電路的一種設(shè)計方案[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2010，36(2):58-62. FAN J K，WANG Y P，CUI C M. A design method of larger-magnetic-torquer drive circuit[J]. Aerospace Control and Application，2010，36(2):58-62.

[7] 鄺永變，朱劍波. 基于Saber的無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真與分析[J].電子工程設(shè)計，2014，22(10):151-155. KUANG Y B，ZHU J B. The simulation and analysis on BLDCM control system based on Saber software[J]. Electronic Design Engineering，2014，22(10):151-155.

[8] 黃輝，姜學東，邱瑞昌. 三相異步電機交流調(diào)壓電路Saber仿真與控制[J]. 電力電子，2005，39(2):78-80. HUANG H，JIANG X D，QIU R C. Saber emulation and control of the three-phase induction motor in alternating current voltage regulation circuit[J]. Power Electronics， 2005,39(2):78-80.

Design of Control Circuit of a Large Magnetic Torquer with Protection of Variable Reverse-Self Delay

XU Qinchao

(BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190,China)

High voltage and large current are needed by large magnetic torques (MT). High back electromotive force is generated when the current direction changes. A control circuit of large magnetic torquer with protection of variable reverse-self delay is designed. The direction check circuit produces a high level signal when the control signal reverses, then a discharging circuit is created by H-bridge. Different delay is generated according to the immediate current of the magnetic torquer. High back electromotive force is avoided, which is derived from the control signal reverse. The safety, reliability, and working efficiency are improved. The correction of the control circuit is validated by Saber simulation.

large magnetic torquer; control circuit; variable delay; reverse protection

2014-11-17

TH133

A

1674-1579(2015)03-0048-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2015.03.010

徐勤超(1983—)，男，工程師，研究方向為航天器執(zhí)行機構(gòu)控制.