34微納衛(wèi)星用空芯磁扭力器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)張凌云（廣州民航航天學(xué)院儀器科學(xué)與光電工程大學(xué)，新型慣性儀表與導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，上海）摘要：姿態(tài)控制系統(tǒng)（ＡＣＳ）是衛(wèi)星必不可少的組成部份，而磁扭力器就是其中一種重要、可靠的姿控執(zhí)行元件。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種用于微納衛(wèi)星上的空芯磁扭力器。按照通電纜線圈在磁場中有洛倫茲力形成的原理設(shè)計(jì)了線圈及線圈骨架。借助PWM原理制做出線圈驅(qū)動(dòng)電路及電壓測量電路，實(shí)現(xiàn)了磁扭力器電壓的幅值可測、方向可控。借助軟件仿真了軌道中磁扭力器形成的扭矩曲線。實(shí)驗(yàn)表明該磁扭力器幀率小、剩磁小，可以挺好地滿足微納衛(wèi)星的姿控要求。字：微納衛(wèi)星，姿態(tài)控制，磁扭力器，電壓測量中圖分類號(hào)：V423.4+3文獻(xiàn)標(biāo)示Micro/Zhang,GuoLei,Yang(NovelKey,Opto-g,,,China）:(ACS)partusedmicro/paper.when,,which.show,small.keywords:Micro/Nano衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)在衛(wèi)星的飛行中有重要的作用，它能確保衛(wèi)星在實(shí)際飛行中對(duì)姿態(tài)的要求，進(jìn)而完成設(shè)定的任務(wù)。
而其中借助地磁場來控制衛(wèi)星姿態(tài)是一種簡單、可靠的方式，這些方法尤其適宜于月球低軌道衛(wèi)星的姿控系統(tǒng)，磁力矩器就是借助這些方式來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)控制的主要執(zhí)行部件。借助磁扭力器來控制衛(wèi)星姿態(tài)的優(yōu)點(diǎn)在于硬件簡單、沒有質(zhì)量變化問題。相比于噴氣系統(tǒng)和動(dòng)量輪，它的造價(jià)低、重量輕、功耗小、壽命長、不消耗燃料，且由于它沒有活動(dòng)部件，可靠性高，通常衛(wèi)星就會(huì)將其作為最小控制系統(tǒng)的首選。隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)其姿控系統(tǒng)提出了更高的要求，希望姿控系統(tǒng)更簡單、可靠。在這些情況下結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、節(jié)省能源的磁扭力器在微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制中應(yīng)用就更廣泛了。國內(nèi)也出現(xiàn)了專門生產(chǎn)磁扭力器的公司，、,、、、等，但是它們的產(chǎn)品基本上都是磁扭力棒，形成的扭矩比較大，質(zhì)量也比較大，適用于對(duì)剩磁要求不高的大型衛(wèi)星。而這些質(zhì)量更小、對(duì)剩磁要求更嚴(yán)格的納星則大部份都采用空芯磁扭力器，因而很有必要強(qiáng)化對(duì)高可靠性的空芯磁扭力器的研發(fā)工作。本文先介紹了磁扭力35器的工作原理磁力矩的方向判斷，此后給出了磁扭力器的設(shè)計(jì)方案磁力矩的方向判斷，最后給出了實(shí)物的測試結(jié)果。
通電回路在磁場中的受力情況通電回路在地磁場中的受力情況如圖軸為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，且與磁場的傾角為α。由受力剖析易知其在軸方向的扭矩如下式所示;其中A為有效面積。一般磁矩定義為：空芯磁扭力器設(shè)計(jì)2.1空心磁扭力器線圈設(shè)計(jì)是三軸磁扭力器卸載磁矩與卸載時(shí)間的關(guān)系，可看出，磁矩在1.Am即可滿足要求。考慮到微納衛(wèi)星對(duì)質(zhì)量及幀率的要求，本磁扭力器的額定磁矩選為1.5三軸磁扭力器卸載磁矩與卸載時(shí)間曲線根據(jù)衛(wèi)星的外型，空芯磁扭力器的形狀一般選為方形或圓形。考慮到星系的一體化，本磁力矩器線圈擬采用磁線圈的固定形式(圖3)，固定在衛(wèi)星的外殼內(nèi)壁上。磁線圈安裝位置對(duì)圓形線圈，其磁矩MAm)及功率P和質(zhì)量W()之積的表達(dá)式分別如下：由以上式可知，當(dāng)磁矩已知時(shí)，磁扭力器的功率和質(zhì)量之積與線圈周長成正比，與導(dǎo)線內(nèi)阻率和質(zhì)量密度的乘積成反比。所以，為了減少功率質(zhì)量之積，需使線圈面積盡可能大，且采用ρσ值較小的導(dǎo)線。衛(wèi)星上的供電電流只有幾個(gè)固定值可供選擇，電壓的幅值也有限制，所以選擇導(dǎo)線時(shí)需權(quán)衡各誘因，作出最合適的選擇。綜合考慮以上各誘因，這兒選用線徑0.2mm的共聚物銅導(dǎo)線。
由幀率與質(zhì)量的要求及幀率和質(zhì)量曲線(圖4)可見，取幀率0.44W比較合適。在此基礎(chǔ)上估算得出：線圈平均面積取為300801001201401601802000.350.40.450.50.550.60.650.70.750.812v,0.2mm,m=1.質(zhì)量(g)幀率質(zhì)量-幀率曲線36265mm，電流取12V，繞制493圈，電壓約42mA，形成磁矩為1.64Am。由于控制電路部份會(huì)有壓降，所以作用在導(dǎo)線上的電流要比12V小，實(shí)際形成的磁矩將會(huì)比估算值小。線圈骨架設(shè)計(jì)由于如圖3中的一體成形技術(shù)成本偏高，且不利于面板和磁扭力器單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)測試，所以本磁扭力器骨架的設(shè)計(jì)需滿足既可單獨(dú)做實(shí)驗(yàn)，又可安裝到衛(wèi)星的外殼上，且骨架材料不能是磁性材料。因而這兒選用硬鋁作骨架材料(需注意，各聯(lián)接件都不能為磁性材料)。線圈骨架設(shè)計(jì)為十字架支撐，四個(gè)身上接纏線槽，表面進(jìn)行絕緣氧化。纏線槽上有螺絲孔，可以用螺絲和十字架固定在一起，便捷纏線及做實(shí)驗(yàn)。實(shí)際安裝到衛(wèi)星面板上時(shí)，把十字架去除，用螺絲把纏線槽固定到衛(wèi)星面板上，這樣既節(jié)省空間又減少重量。
由于支撐架不會(huì)安裝到衛(wèi)星上，因而不須要采用特殊材料，只要硬度和規(guī)格符合即可。實(shí)物見圖5。磁扭力器線圈2.2控制電路設(shè)計(jì)本磁扭力器的電路部份須要完成電路驅(qū)動(dòng)、電流檢測功能，因而電路分為兩部份，一部份通過姿軌控下位機(jī)來控制磁扭力器是否工作，另一部份則檢測通過磁扭力器線圈的電壓.驅(qū)動(dòng)控制電路原理驅(qū)動(dòng)控制電路的作用就是由計(jì)算機(jī)的指令形成出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)線圈的電壓。常見的控制方法主要有電壓時(shí)間控制和電壓幅度控制。電壓時(shí)間控制是依據(jù)星上計(jì)算機(jī)輸出的信號(hào)來形成不同長度的脈沖，因而控制磁矩形成的時(shí)間。電壓幅度控制則是將星上計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字訊號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電流，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)線電壓時(shí)間控制方式的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，幀率較小，與上位機(jī)的插口簡單。并且只能形成確定的磁矩，因而使控制算法比較復(fù)雜。而后一種方法的輸出電流可調(diào)，所以可形成大小變化的磁矩，控制算法比較簡單，而且電路比較復(fù)雜，且?guī)瘦^大。綜合以上兩種方式，且結(jié)合衛(wèi)星對(duì)本磁扭力器的要求，本電路采用一種新的控制方式。直流馬達(dá)、馬達(dá)多采用橋、PWM控制方式來控制其電壓的大小，這些方式也可用于磁扭力器，且既可以控制時(shí)間又可以控制幅值。
驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)H橋電路可以采用分離元件搭建，而且這些方式容易導(dǎo)致電路容積減小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及可靠性增長等問題，因而這兒選用德國國家半導(dǎo)體公司(NS)智能功率集成電路來作為驅(qū)動(dòng)芯片。此芯片可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的全橋驅(qū)動(dòng)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)、防止對(duì)管直通等功能，充分體現(xiàn)了集成功放電路性能可靠、控制功能全面的特點(diǎn)。電路原理圖如圖6。檢測電路的設(shè)計(jì)此部份電路要完成對(duì)通過線圈的電壓的檢測功能。由于直接檢測電壓很不便捷，所以改為測量電流。選擇一個(gè)小阻值與線圈串聯(lián)，通過檢測內(nèi)阻上的電流來得到線圈電壓。此小阻值上的壓降很小，而串?dāng)_電流很大，且電路的噪音也比較大，普通的差動(dòng)放大電路測量療效不理想。這兒選用高檔電壓測量芯片，此芯片是ADI公司推出的單電源高性能差分放大器，其串?dāng)_電壓輸入范圍為-2V~65V，固定增益為50，在直流的頻帶范圍內(nèi)具有高達(dá)80dB抑制比，適用于在高紋波電流下測量小差分電流的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電磁系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電機(jī)控制及車輛電氣控制等系統(tǒng)中。總電路原理圖如7。的參考電流端需給+1.9V，當(dāng)端電流小于IN-端電流時(shí)，輸出小于1.9V，當(dāng)IN+端電流大于IN-端電流時(shí)，輸出大于1.9V。這兒的+1.9V可通過+5V分壓得到。37控制程序下位機(jī)發(fā)送控制指令給，線圈通電，形成轉(zhuǎn)矩，檢測電流放大后取樣給下位機(jī)，經(jīng)查表得出電壓(這兒須要標(biāo)定出檢測電流對(duì)應(yīng)的電壓)，跟設(shè)定值相比較，得到差值，相應(yīng)改變