專利名稱：大規(guī)模固體微推力器陣列點(diǎn)火裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種微型固體推力器陣列的點(diǎn)火裝置，特別適用于大規(guī)模微型固體推力器陣列。
背景技術(shù)：
隨著微型衛(wèi)星的發(fā)展及應(yīng)用，對其高精度的姿態(tài)和軌道控制也提出了挑戰(zhàn)，需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量和體積小、集成度高、功耗低、可靠性高，能夠提供小而精確的沖量，而微型固體推力器陣列，能夠滿足微型衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的要求。微型固體推力器陣列能集成高密度的微型推力器，每個推力器單元產(chǎn)生微小的沖量，可以實現(xiàn)任意的點(diǎn)火組合方式，進(jìn)行變推力控制，這種推力器的突出優(yōu)點(diǎn)就是可以應(yīng)用于公斤級的皮衛(wèi)星或納衛(wèi)星上，是一種新型的衛(wèi)星控制動力裝置。隨著各國對微型推力器陣列的研究逐漸深入，迫切需要解決陣列的應(yīng)用問題，因此對于大規(guī)模陣列的研究成為現(xiàn)在的研究重點(diǎn)，而其中最重要的是點(diǎn)火相關(guān)技術(shù)的研究， 例如點(diǎn)火控制裝置、點(diǎn)火電路、驅(qū)動電路、點(diǎn)火算法等?，F(xiàn)階段各國主要集中在對微型推力器陣列結(jié)構(gòu)、測試等方面的研究，現(xiàn)有的各國研究的點(diǎn)火電路都較為復(fù)雜，不適用于大規(guī)模推力器陣列，對于整個點(diǎn)火裝置的研究更是少之又少，因此制約了微型推力器陣列的進(jìn)一步應(yīng)用。圖1為韓國2010年剛研制的點(diǎn)火控制裝置，但是該裝置能夠進(jìn)行控制的推力器陣列規(guī)模非常小，因為點(diǎn)火電路采用每個點(diǎn)火電阻單獨(dú)控制，布線難度比較大，如果進(jìn)一步擴(kuò)大點(diǎn)火電阻的數(shù)量，集成百萬級數(shù)量推力器，采用該點(diǎn)火電路基本不可能。對于衛(wèi)星姿態(tài)和軌道控制，為了提高大范圍的機(jī)動能力以及更加精確的控制，需要推力器陣列能夠集成更多的推力器，因此對應(yīng)的點(diǎn)火電路規(guī)模也要增大。如果推力陣列規(guī)模足夠大，比如100X 100 個推力器或者更大，獨(dú)立式點(diǎn)火電路的布線將較為復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是解決微推力器陣列的應(yīng)用問題，利用陣列式點(diǎn)火電路真正意義上實現(xiàn)微推力器陣列的規(guī)?；?，并且實現(xiàn)對推力器陣列滿足姿軌控要求的推力器組合進(jìn)行點(diǎn)火控制。本實用新型的點(diǎn)火控制裝置包括通信模塊、控制模塊、行控制端、列控制端、行驅(qū)動模塊、列驅(qū)動模塊、點(diǎn)火電路。其中，行驅(qū)動模塊包括兩個或兩個以上可控開關(guān)元件和兩個或兩個以上限流電阻。列驅(qū)動模塊包括兩個或兩個以上放大模塊和兩個或兩個以上限流電阻，其中放大模塊有兩個作用，一個是功率放大，一個是控制電路通斷即可控開關(guān)的作用。點(diǎn)火電路包括兩個或兩個以上電阻、兩個或兩個以上二極管、兩根或兩根以上行線、兩根或兩根以上列線以及兩個或兩個以上集成電路板；具體布局是，每一個發(fā)熱電阻一端與一個二極管正極相連，發(fā)熱電阻的另一端連接在行線上，二極管的負(fù)極連接在列線上； 行線和列線分別分布在不同的集成電路板中，互不影響。為區(qū)別之前的獨(dú)立式點(diǎn)火電路，這里將此種點(diǎn)火電路稱為陣列式點(diǎn)火電路。整個點(diǎn)火控制裝置各個模塊之間的連接是通信模塊與控制模塊相連；控制模塊通過行控制端與行驅(qū)動相連，通過列控制端與列驅(qū)動相連對于每一行，行控制端通過限流電阻連接行驅(qū)動；對于每一列，列控制端也通過限流電阻連接列驅(qū)動。行驅(qū)動連接點(diǎn)火電路的行線，列驅(qū)動連接點(diǎn)火電路的列線。工作過程是衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的控制器將所有的所需推力器坐標(biāo)通過通信模塊進(jìn)行通信，傳輸?shù)娇刂颇K，控制模塊對接收到的信號進(jìn)行判斷和控制如果要點(diǎn)燃的推力器小于設(shè)定的數(shù)量，一次點(diǎn)燃所有所需的推力器，即將它們所在行列進(jìn)行高電平輸出，控制驅(qū)動電路導(dǎo)通，電阻加熱發(fā)火藥。其中高電平的維持時間需要大于點(diǎn)火延遲時間，以使電阻加熱至發(fā)火藥的發(fā)火時間，當(dāng)?shù)竭_(dá)高電平的維持時間，對相關(guān)行列進(jìn)行低電平輸出，此時電路斷開，電阻停止加熱；如果要點(diǎn)燃的推力器大于設(shè)定的數(shù)量，要進(jìn)行分組點(diǎn)火，每組之間設(shè)定固定的點(diǎn)火時間間隔，對于每一組的控制與前相同。有益效果該大規(guī)模固體微推力器陣列點(diǎn)火裝置真正意義上實現(xiàn)對大規(guī)模微型推力器陣列的點(diǎn)火控制①設(shè)計了陣列式點(diǎn)火電路；②設(shè)計了能夠?qū)Υ笠?guī)模陣列控制的控制電路；③ 設(shè)計了可控、可靠的驅(qū)動電路。采用這樣的系統(tǒng)設(shè)計，因為需要的導(dǎo)線等相關(guān)硬件都減少， 既可控又較為簡潔，大大降低了電路的復(fù)雜程度，提高了點(diǎn)火的穩(wěn)定性及可靠性。

圖1為韓國2010年研制的點(diǎn)火系統(tǒng)。圖2為本實用新型的點(diǎn)火系統(tǒng)框圖。圖3為本實用新型的點(diǎn)火系統(tǒng)原理圖。圖4為本實用新型的點(diǎn)火電路示例。圖5為本實用新型的行驅(qū)動電路示例。圖6為本實用新型的列驅(qū)動電路示例。圖7為本實用新型的控制電路示例。圖8為本實用新型的USB與FPGA的連接圖示例。圖9為本實用新型的一路驅(qū)動電路和點(diǎn)火電路連接示意圖。圖10為FPGA狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖示意。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本實用新型的具體實施方式
。實驗中采用10X10陣列， 來說明設(shè)計思想以及原理圖2為本實用新型的點(diǎn)火系統(tǒng)框圖；圖3為本實用新型的點(diǎn)火系統(tǒng)原理圖；圖4為本實用新型的點(diǎn)火電路示例；圖5為本實用新型的行驅(qū)動電路示例；圖 6為本實用新型的列驅(qū)動電路示例；圖7為本實用新型的控制電路示例。本實用新型的點(diǎn)火控制系統(tǒng)包括通信模塊、控制模塊、行控制端、列控制端、行驅(qū)動模塊、列驅(qū)動模塊、點(diǎn)火電路。其中，行驅(qū)動模塊包括十個晶閘管和十個限流電阻，其中晶閘管為可控開關(guān)元件。所有晶閘管的陽極接電源。列驅(qū)動模塊包括達(dá)林頓管和限流電阻，其中達(dá)林頓管為放大模件，可以進(jìn)行功率放大，也可以通過它控制電路通斷。所有達(dá)林頓管的發(fā)射極接地。點(diǎn)火電路包括一百個電阻、一百個二極管、十根行線以及十根列線；具體布局是， 每一個電阻一端與一個二極管正極相連，發(fā)熱電阻的另一端連接在行線上，二極管的負(fù)極連接在列線上；行線和列線分別分布在不同的集成電路板中，互不影響。為區(qū)別之前的獨(dú)立式點(diǎn)火電路，這里將此種點(diǎn)火電路稱為陣列式點(diǎn)火電路。在制造上，該點(diǎn)火電路采用微機(jī)電加工技術(shù)，在推力器陣列頂層沉結(jié)二極管和電阻，進(jìn)而構(gòu)成點(diǎn)火電路陣列。行線Rl RlO上各連有10個電阻，各個電阻各自與二極管相連，二極管連接在列線Cl ClO上。而Rl RlO與Cl ClO各自分布在兩個電路層上，不互相相連。整個點(diǎn)火控制系統(tǒng)各個模塊之間的連接是通信模塊與控制模塊相連；控制模塊通過行控制端與行驅(qū)動相連，通過列控制端與列驅(qū)動相連對于每一行，行控制端通過限流電阻連接晶閘管的門級；對于每一列，列控制端也通過限流電阻連接達(dá)林頓管的基極。晶閘管的陰極連接點(diǎn)火電路的行線，達(dá)林頓管的集電極連接點(diǎn)火電路的列線。在本實驗中，晶閘管采用BT151，達(dá)林頓管采用TIP122。點(diǎn)火電路行線Rl RlO連接在晶閘管陰極上，晶閘管陽極連接VCC電源上，晶閘管門級通過在二極管上和限流電阻連接在列控制端Rol RolO ；點(diǎn)火電路列線Cl ClO連接在達(dá)林頓管的集電極，達(dá)林頓管的發(fā)射極接地，基極通過限流電阻連接在列控制端Coll Col 10。另外，通信模塊采用USB2. O?？刂颇K采用FPGA作為主控制芯片。USB芯片選擇 Cypress 的 CY7C68013A，F(xiàn)PGA芯片選擇Altera 公司的 EP1C20F400C8，F(xiàn)PGA 電源需要 1. 5V和 3. 3V供電，電源芯片選擇TPS54313和TPS543136。本控制電路有200個IO 口，控制100X 100 的陣列，兩個50接口 Columnl和Column2連接驅(qū)動電路的列控制端Coll Col 100，兩個50 接口 Rowl和Row2連接驅(qū)動電路的行控制端Rol RolOO。如果陣列擴(kuò)大，可以進(jìn)行擴(kuò)展， FPGA工作晶振可以由USB芯片提供，頻率為48MHz，也可由外置24MHz晶振提供。Altera_ JTAG為調(diào)試程序下載接口，Altera_AS為配置程序下載接口，程序下載到EPCS4中，通電后程序自動下載到FPGA中。USB固件程序設(shè)計采用Cypress公司提供的固件程序開發(fā)框架，在此框架下加入系統(tǒng)的功能程序，就可以完成程序開發(fā)，主要進(jìn)行TDJnit和TD_Poll程序以及自定義請求函數(shù)的編寫。FPGA程序設(shè)計，采用Verilog編寫，能夠?qū)崿F(xiàn)對推力器的控制，任意推力器組合的控制，并且可以實現(xiàn)對高電平維持時間的控制，以及高電平維持時間中間維持低電平時間的設(shè)定。處于點(diǎn)火間隔時間時，電平拉低，對于電平的控制都需要在FPGA中實現(xiàn)。圖8為USB與FPGA的連接示意圖，其中各個狀態(tài)表示的意義如下IFCLK :FX2輸出的時鐘，可作為通訊的同步時鐘；FLAGB，F(xiàn)LAGC :FX2輸出的FIFO狀態(tài)信息，如滿，空等；SLOE =FIFO輸出使能，外部邏輯控制，當(dāng)SLOE無效時，數(shù)據(jù)線不輸出有效數(shù)據(jù)；SLRD 同步讀時，F(xiàn)IFO指針在SLRD有效時的每個IFCLK的上升沿遞增；FD[15:0]數(shù)據(jù)線;FIF0ADR[1:0]選擇四個FIFO端點(diǎn)的地址線，外部邏輯控制。工作過程是衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的控制器將所有的所需推力器坐標(biāo)通過USB進(jìn)行通信，傳輸?shù)阶鳛榭刂颇K的FPGA，F(xiàn)PGA對接收到的信號進(jìn)行判斷和控制如果要點(diǎn)燃的推力器小于設(shè)定的數(shù)量，一次點(diǎn)燃所有所需的推力器，即將它們所在行列進(jìn)行高電平輸出，控制驅(qū)動電路導(dǎo)通，電阻加熱發(fā)火藥。其中高電平的維持時間需要大于點(diǎn)火延遲時間，以使電阻加熱至發(fā)火藥的發(fā)火時間，當(dāng)?shù)竭_(dá)高電平的維持時間，對相關(guān)行列進(jìn)行低電平輸出，此時電路斷開，電阻停止加熱；如果要點(diǎn)燃的推力器大于設(shè)定的數(shù)量，要進(jìn)行分組點(diǎn)火，每組之間設(shè)定固定的時間間隔，對于每一組的控制與單組控制相同。本系統(tǒng)進(jìn)行通信時，USB芯片選擇Slave FIFO模式，F(xiàn)PGA實現(xiàn)同步從屬FIFO的讀操作，當(dāng)通過USB接收到的16位數(shù)據(jù)中第16位為1時，剩下的十五位將要點(diǎn)的推力器坐標(biāo)儲存到RAM。FPGA調(diào)用IP核，先將通過USB收到的所點(diǎn)推力器坐標(biāo)存于FPGA的RAM中，當(dāng)收到的數(shù)據(jù)第16位為0時，則剩下的十五位儲存所點(diǎn)推力器的總個數(shù)以及單次的個數(shù)，并進(jìn)行控制信號輸出，控制IO電平。FPGA運(yùn)用有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，首先進(jìn)行初始化， 將各個寄存器進(jìn)行初始化。然后轉(zhuǎn)入點(diǎn)火狀態(tài)，判斷點(diǎn)單次火推力器的個數(shù)，以及點(diǎn)火推力器的總個數(shù)，達(dá)到單次所點(diǎn)推力器個數(shù)后，轉(zhuǎn)入電平維持狀態(tài)，保持一定的狀態(tài)，達(dá)到維持時間后轉(zhuǎn)入點(diǎn)火間隔時間狀態(tài)，保持低電平一定時間后，判斷是否達(dá)到所點(diǎn)推力器的總個數(shù)，如果沒達(dá)到，則進(jìn)入點(diǎn)火狀態(tài)。最后復(fù)位，相關(guān)寄存器置為初始態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖10 所示。狀態(tài)機(jī)時序如下IDLE 對相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化，然后轉(zhuǎn)入FIRE狀態(tài)，開始讀RAM操作。FIRE 指向輸出FIFO (對應(yīng)端點(diǎn)幻，判斷點(diǎn)單次火推力器的個數(shù)，以及點(diǎn)火推力器的總個數(shù)，達(dá)到單次所點(diǎn)推力器個數(shù)后，轉(zhuǎn)入H0LD_0N。H0LD_0N 進(jìn)入電平維持狀態(tài)，保持一定的時間，達(dá)到一定時間后進(jìn)入H0LD_ 0FFH0LD_0FF:保持低電平一定時間后，達(dá)到一定時候后，判斷是否達(dá)到所點(diǎn)推力器的總個數(shù)，如果沒達(dá)到，則進(jìn)入FIRE狀態(tài)，如果達(dá)到進(jìn)入END狀態(tài)。END 把相關(guān)寄存器置為初始態(tài)。下面分別計算工作過程中提到的點(diǎn)火延遲時間和點(diǎn)火間隔時間。1、點(diǎn)火延遲時間確定。高電平維持時間需要根據(jù)點(diǎn)火延遲時間來確定，為FPGA電平控制提供依據(jù)。點(diǎn)火延遲時間包括數(shù)據(jù)傳輸、算法求解和電阻加熱點(diǎn)火藥的時間，前兩方面時間均遠(yuǎn)小于電阻加熱時間，因此在分析計算點(diǎn)火延遲時間時，不考慮前兩方面引起的點(diǎn)火延遲。該時間先通過數(shù)值仿真計算出時間作為參考，最后通過實驗進(jìn)一步確定。為確定點(diǎn)火延遲時間，建立單個電阻仿真模型網(wǎng)格劃分圖。電阻加熱過程，一是通電后電流流過電阻材料發(fā)熱；二是熱量通過熱傳導(dǎo)方式流動。為了考察玻璃釉表面溫度是否達(dá)到點(diǎn)火溫度，運(yùn)用有限元方法進(jìn)行三維非穩(wěn)態(tài)傳熱計算，查看達(dá)到發(fā)火藥達(dá)到點(diǎn)火溫度所需時間，為點(diǎn)火延遲時間的設(shè)定提供一定的參考。因為點(diǎn)火時間較短，并且電阻TCR即溫度系數(shù)值為士 100ppm/°C左右，因此忽略點(diǎn)火時電阻阻值的變化。電阻的電功率可用下式表示P = I2R其中，I是通過電阻的電流，R是阻值。[0055]將電阻作為恒熱源，生熱速率可表示為q = P/V其中，V為電阻的體積。假設(shè)在玻璃鈾表面溫度達(dá)到發(fā)火藥發(fā)火溫度時即發(fā)火，設(shè)發(fā)火溫度為。實驗中所用的電阻參數(shù)分別是導(dǎo)熱系數(shù)20. 9w/m ·Κ，熱膨脹系數(shù)1. 22*10_5m/K，比熱420J/ (mol ·Κ)，密度:8. 88*103kg/m3。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)點(diǎn)火功率為2w時，在7ms可達(dá)到。 且玻璃釉對仿真結(jié)果影響較小，可以忽略。為了進(jìn)一步確定點(diǎn)火所需時間，可以運(yùn)用實驗臺進(jìn)行點(diǎn)火延遲時間測試，忽略數(shù)據(jù)傳輸時間，用點(diǎn)火電壓作為外部觸發(fā)，在點(diǎn)火同時，同時觸發(fā)采集系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由測量結(jié)果可知，延遲時間為7. 6ms，與數(shù)值計算時間7ms基本吻合，在控制系統(tǒng)中，以實驗測的時間為準(zhǔn)，即當(dāng)點(diǎn)火功率為2w時，需要設(shè)置點(diǎn)火時間為7. 6ms以上。2、點(diǎn)火間隔時間確定如果需要點(diǎn)火推力器數(shù)量過多將使點(diǎn)火功率過大，需要分組點(diǎn)火，即在點(diǎn)完一組時，在極短時間內(nèi)電路斷開，即低電平維持時間，再進(jìn)行下一組點(diǎn)火，其中的斷開時間需要進(jìn)行實驗測量。由于電路特點(diǎn)行控制端采用晶閘管，列采用達(dá)林頓管，因為晶閘管一旦導(dǎo)通將一直保持通路，除非回路出現(xiàn)斷路或加反向電壓；而達(dá)林頓管和控制端點(diǎn)平有關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)低電平時，回路斷開，利用該特點(diǎn)，將列控制端的控制信號周期設(shè)定較長，設(shè)為IOms ；行控制端周期設(shè)定較短，調(diào)節(jié)行控制端的控制信號周期，來確定使回路斷開的最短時間。經(jīng)過實驗， 行控制端信號周期為IOOus時，即斷開時間為50us，回路能夠斷開。將行控制端控制信號周期繼續(xù)縮短，當(dāng)為小于50us時，回路將不能斷開，因此，當(dāng)進(jìn)行單次多組點(diǎn)火時，中間最小間隔時間設(shè)為50us，該時間對于點(diǎn)火延遲來說可以忽略。
權(quán)利要求1.大規(guī)模固體微推力器陣列點(diǎn)火裝置包括通信模塊、控制模塊和點(diǎn)火電路； 其特征在于，該點(diǎn)火裝置還包括行控制端、列控制端、行驅(qū)動模塊、列驅(qū)動模塊； 各個模塊之間的連接關(guān)系是通信模塊與控制模塊相連；控制模塊通過行控制端與行驅(qū)動相連，通過列控制端與列驅(qū)動相連對于每一行，行控制端通過限流電阻連接行驅(qū)動； 對于每一列，列控制端也通過限流電阻連接列驅(qū)動；行驅(qū)動與點(diǎn)火電路的行線相連，列驅(qū)動與點(diǎn)火電路的列線相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模固體微推力器陣列點(diǎn)火裝置，其特征在于其行驅(qū)動模塊包括兩個或兩個以上可控開關(guān)元件和兩個或兩個以上限流電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模固體微推力器陣列點(diǎn)火裝置，其特征在于，其列驅(qū)動模塊包括兩個或兩個以上放大模塊和兩個或兩個以上限流電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模固體微推力器陣列點(diǎn)火裝置，其特征在于，其點(diǎn)火電路包括兩個或兩個以上電阻、兩個或兩個以上二極管、兩根或兩根以上行線以及兩根或兩根以上列線；具體布局是，每一個發(fā)熱電阻一端與一個二極管正極相連，發(fā)熱電阻的另一端連接在行線上，二極管的負(fù)極連接在列線上；行線和列線分別分布在不同的集成電路板中， 互不影響。
專利摘要本實用新型涉及一種微型固體推力器陣列的點(diǎn)火裝置，特別適用于大規(guī)模微型固體推力器陣列。該點(diǎn)火裝置包括通信模塊、控制模塊和點(diǎn)火電路，并且還包括行控制端、列控制端、行驅(qū)動模塊、列驅(qū)動模塊；各個模塊之間的連接關(guān)系是通信模塊與控制模塊相連；控制模塊通過行控制端與行驅(qū)動相連，通過列控制端與列驅(qū)動相連對于每一行，行控制端通過限流電阻連接行驅(qū)動；對于每一列，列控制端也通過限流電阻連接列驅(qū)動；行驅(qū)動與點(diǎn)火電路的行線相連，列驅(qū)動與點(diǎn)火電路的列線相連。采用這樣的系統(tǒng)設(shè)計，因為需要的導(dǎo)線等相關(guān)硬件都減少，既可控又較為簡潔，大大降低了電路的復(fù)雜程度，提高了點(diǎn)火的穩(wěn)定性及可靠性。
文檔編號F02K9/95GK201953510SQ20102052251
公開日2011年8月31日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月8日
發(fā)明者劉旭輝, 方蜀州, 李洪美, 李騰, 王玉林 申請人:北京理工大學(xué)