動量輪模擬器的設(shè)計(jì)

引言

在衛(wèi)星姿態(tài)和軌道控制計(jì)算機(jī)(AOCC)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和室內(nèi)聯(lián)調(diào)階段，為方便系統(tǒng)調(diào)試，需設(shè)計(jì)動量輪模擬器，模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)動量輪所決定的衛(wèi)星姿態(tài)和控制效果，代替真實(shí)部件進(jìn)行分系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)試驗(yàn)。

動量輪模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

本模擬器的核心處理芯片采用TI的TMS320VC33(以下簡稱VC33)，該芯片是一款高性能、高性價(jià)比的32位浮點(diǎn)DSP|0">DSP處理器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

動量輪模擬器是衛(wèi)星控制系統(tǒng)地面測試設(shè)備的一部分，主要完成對來自AOCC的控制指令和控制電壓的識別，然后按照控制指令和控制電壓模擬動量輪的轉(zhuǎn)動情況，向衛(wèi)星和地檢設(shè)備輸出轉(zhuǎn)速脈沖、工作狀態(tài)、轉(zhuǎn)動狀態(tài)和電樞電流模擬信號。

動量輪模擬器具有開關(guān)量輸入／輸出接口和模擬量輸入／輸出接口，并配有觸摸顯示液晶屏，用于設(shè)備自檢或運(yùn)行時(shí)，控制和顯示動量輪模擬器的開關(guān)信號狀態(tài)和角速度。此外，在觸摸顯示液晶屏上可以選擇模擬兩種不同轉(zhuǎn)動慣量的動量輪。

動量輪模擬器的硬件設(shè)計(jì)

DSP的選型：本系統(tǒng)模擬某衛(wèi)星4個(gè)動量輪的運(yùn)行，主要工作為：采集4路彼此獨(dú)立的差分控制電壓，按輪角速度公式ω=ω+Ut×K×t／J(ω為動量輪角速度，Ut為動量輪輸入控制電壓，t為動量輪運(yùn)算周期，K為比例常數(shù)，J為動量輪轉(zhuǎn)動慣量)計(jì)算后，以24個(gè)脈沖／轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)速頻率，并調(diào)理成地檢設(shè)備要求的幅值。這里的計(jì)算需要選擇高速且支持浮點(diǎn)運(yùn)算的處理器。

VC33是32位浮點(diǎn)處理器，其功能結(jié)構(gòu)與C31相似，但由于在時(shí)鐘、電源、存儲區(qū)設(shè)計(jì)上做了優(yōu)化，其工作速度更快(每條指令執(zhí)行只需13ns)、功耗更小，并集成了較大的片內(nèi)存儲區(qū)。另外，VC33價(jià)格較低(約120元，比TI公司的6X系列的同性能浮點(diǎn)DSP低很多)。VC33配以CPLD EPM7128，做以邏輯控制方案的綜合指標(biāo)較為理想。

動量輪控制電壓的采集：14位ADC芯片MAX125擁有A、B兩組信號輸入端，每組4個(gè)輸入通道，內(nèi)置4路同步采樣保持器。在實(shí)際應(yīng)用中分別采集來自主、備AOCC的各4路控制電壓，將其經(jīng)過阻抗匹配后，連接到MAX125的輸入端，轉(zhuǎn)換結(jié)果送給DSP處理。CPLD提供ADC的控制信號，在邏輯內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對ADC啟動信號、轉(zhuǎn)換通道的選擇。

電樞電流輸出：上述DSP計(jì)算結(jié)果并行傳送給邏輯芯片EPM7128，DSP通過邏輯芯片實(shí)現(xiàn)對DAC7615的片選、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和啟動轉(zhuǎn)換的控制；DAC7615是12位串行數(shù)字量輸入，4路單端電壓輸出的DAC，D／A轉(zhuǎn)換速率為76ksps×4通道，轉(zhuǎn)換精度為±0.1％FSR。本設(shè)計(jì)中，將其配置為單極性0～2.5V輸出，再經(jīng)運(yùn)算放大器做阻抗匹配后，形成0～4V的電樞電流信號輸出到地面測試系統(tǒng)。

對于AOCC的控制指令，經(jīng)相應(yīng)電平轉(zhuǎn)換電路后，連接到CPLD識別，然后送給DSP處理。對于轉(zhuǎn)動狀態(tài)和電源狀態(tài)，則根據(jù)DSP計(jì)算結(jié)果輸出；外擴(kuò)串口控制芯片16C2552，與觸摸顯示液晶屏進(jìn)行通信，將輪轉(zhuǎn)速及狀態(tài)進(jìn)行顯示。VC33的浮點(diǎn)運(yùn)算能力為120MIPS，完全滿足轉(zhuǎn)速脈沖的計(jì)算要求。兩種動量輪的選擇開關(guān)設(shè)計(jì)在觸摸顯示液晶屏上，通過串口將不同的輪轉(zhuǎn)動慣量特征送給DSP處理。

所有數(shù)字輸入信號均為比較器接入，所有數(shù)字輸出信號都為三極管驅(qū)動輸出，控制指令為0／12V數(shù)字信號，轉(zhuǎn)速脈沖為0／12V數(shù)字信號，電源狀態(tài)和轉(zhuǎn)速方向?yàn)?和開路兩種狀態(tài)數(shù)字信號。

動量輪模擬器軟件結(jié)構(gòu)

動量輪模擬器軟件主要是指DSP的應(yīng)用程序，圖2為其軟件主程序流程圖。

DSP主程序完成控制信號的采集、角速度運(yùn)算和各種特征指示量的輸出，以及與液晶屏的通信。并判斷系統(tǒng)是工作在自檢狀態(tài)還是模擬輪運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，依情況控制，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)或提取觸摸屏鍵入的數(shù)據(jù)，以便做角速度和角度的計(jì)算。

電樞電流和液晶屏的顯示數(shù)據(jù)1s刷新一次。輪的轉(zhuǎn)動角度是角速度對時(shí)間的積分，在1μs定時(shí)中斷服務(wù)程序中完成，如圖3所示。轉(zhuǎn)速頻率以24個(gè)脈沖／轉(zhuǎn)輸出時(shí)，每個(gè)脈沖代表360／24=15°，占空比為50％，每隔7.5°角頻率端口翻轉(zhuǎn)一次。

動量輪模擬器的運(yùn)行效果

動量輪模擬器作為衛(wèi)星控制系統(tǒng)地面測試設(shè)備的組成部分，完成了預(yù)期的功能：在地面測試設(shè)備移動后，對地面測試設(shè)備進(jìn)行全面快速自檢，確保其與衛(wèi)星對接時(shí)不會損壞衛(wèi)星電路，以便正確測試衛(wèi)星數(shù)據(jù)；模擬動量輪部件，經(jīng)采集和運(yùn)算后輸出按照控制力矩的大小和方向變化的轉(zhuǎn)速脈沖。

本模擬器成功模擬了動量輪部件，已通過了用戶驗(yàn)收，并應(yīng)用在了某型號衛(wèi)星的AOCC分系統(tǒng)和整星試驗(yàn)的測試項(xiàng)目中。

結(jié)語

以高性能浮點(diǎn)DSP芯片TMS320VC33為核心，以CPLD為輔助設(shè)計(jì)的動量輪模擬器，具有多種端口，硬件簡單，只占用了一塊APCI板卡的面積。該系統(tǒng)對浮點(diǎn)運(yùn)算能力要求高的領(lǐng)域具有很好的參考價(jià)值。