具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器的制造方法
【專利摘要】具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，涉及衛星仿真測試領域。本發明是為了解決現有的小衛星姿控分系統中缺少對磁力矩器故障功能的模擬裝置的問題。本發明所述的3個TTL接收接口分別連輸入信號隔離電路3路輸入端，輸入信號隔離電路3路輸出端分別連FPGA3路輸入端，G485故障接收接口輸出端連FPGA輸入端，FPGA用于解析故障類型根據故障類型對3路故障數據進行脈寬采集和時間延時，FPGA3路輸出端分別連輸出信號隔離電路的3路輸入端，輸出信號隔離電路3路輸出端分別連驅動放大電路3路輸入端，驅動放大電路3路輸出端分別連3個TTL發送接口輸入端。它可用于小衛星姿控分系統的半實物仿真和測試中。
【專利說明】具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種磁力矩器電模擬器的設計。屬于衛星仿真測試領域。
【背景技術】
[0002] 在小衛星姿控分系統中，隨著衛星技術的發展，小衛星在體積、重量、功耗上提出 了更多的要求，磁力矩器在此方面具有優勢，加上地磁模型的完善、剩磁補償、星載計算機 軟件算法及主動磁控技術的發展，使磁力矩器在衛星姿態控制方面得到了廣泛應用并有了 很大進展。磁力矩器作為小衛星姿態控制的一種執行機構，主要用于對飛輪進行動量卸載。 其工作原理如下；=軸磁力矩器由=個通電回路和相應的驅動電路組成，在衛星本體坐標 X、Y、Z=個正交方向分別安裝通電回路，通過安裝支架固連于衛星本體，它依靠控制線圈中 電流的大小和方向來產生相應的磁矩，產生的磁矩與地磁場相互作用產生控制衛星姿態的 磁力矩。磁力矩器對外接口一般原理框圖如圖1所示。圖1描述了磁力矩器與星載計算 機、星上電源及遙測系統之間的接口關系。圖中；星上電源為驅動電路供電；星載計算機為 驅動電路提供磁矩控制信號，此信號通常為3路-5?+ 5V的電壓模擬量；驅動電路則是 接收星載計算機輸出的信號，通過驅動電路的放大，得到通電線圈所需要的相應的電壓，力口 在線圈兩端的電壓通過線圈自身電阻轉換成線圈實際工作所需的激磁電流，進而使線圈產 生相應的磁矩；磁椿的作用就是產生磁矩，磁椿線圈的輸出通常為0?+ 5V的電壓模擬量， 且要求與激磁電流具有一定的對應關系；信號變換電路通常采用A/D樣巧片，其功能是反 映驅動電路輸出的激磁電流的大小和方向，并進行過壓保護；遙控系統用于接收磁椿線圈 輸出的遙測信號，用來反映激磁電流的狀態。
【發明內容】
[0003] 本發明是為了解決現有的小衛星姿控分系統中缺少對磁力矩器故障功能的模擬 裝置的問題。現提供具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器及采用該電模擬器實現的故障 檢測方法。
[0004] 具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，它包括一號ITL接收接口、二號ITL接收 接口、立號TTL接收接口、G485故障接收接口、輸入信號隔離電路、FPGA、輸出信號隔離電 路、驅動放大電路、一號ITL發送接口、二號ITL發送接口和S號！TL發送接口，
[0005] 所述一號ITL接收接口、二號ITL接收接口和S號！TL接收接口的并行數據信號 輸出端分別連接輸入信號隔離電路的并行數據信號輸入端，輸入信號隔離電路的3路隔離 信號輸出端分別連接FPGA的3路隔離信號輸入端，G485故障接收接口的故障注入信號輸 出端連接FPGA的故障注入信號輸入端，
[0006] FPGA用于解析故障類型，根據故障類型對3路故障數據進行脈寬采集和時間延 時，
[0007] FPGA的3路控制信號輸出端分別連接輸出信號隔離電路的3路控制信號輸入端， 輸出信號隔離電路的3路隔離信號輸出端分別連接驅動放大電路的3路隔離信號輸入端， 驅動放大電路的3路驅動信號輸出端分別連接一號TTL發送接口的驅動信號輸入端、二號 ITL發送接口的驅動信號輸入端和S號1TL發送接口的驅動信號輸入端。
[000引具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，FPGA采用狀態機的方式實現：
[0009] FPGA內部包括空閑狀態、故障處理狀態、采集輸入脈寬狀態、延時狀態和輸出狀 態，
[0010] 當空閑狀態接收到有故障數據注入時，跳轉到故障處理狀態；
[0011] 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型，跳轉到空閑 狀態；
[0012] 當空閑狀態接收到輸入信號有跳變時，跳轉到采集輸入脈寬狀態；
[0013] 當采集輸入脈寬狀態接收到采集完畢后，跳轉到延時狀態，
[0014] 當延時狀態接收到延時時間結束后，跳轉到輸出狀態，
[0015] 輸出1TL信號后進入空閑狀態。
[0016] 具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，空閑狀態接收的故障數據注入為6個字 節，字節1至字節4為延時時間，字節5為故障數據類型，字節6為故障時間，故障數據類型 為7種類型，故障數據類型1為數據位0x00,故障數據類型2為數據位0x01，故障數據類型 3為數據位0x02,故障數據類型4為數據位0x03,故障數據類型5為數據位0x04,故障數據 類型6為數據位0x05,故障數據類型7為數據位0x06。
[0017] 具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，
[001引當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位 0x00,跳轉到空閑狀態，
[0019] 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬信號時，延遲相應時間輸出，電模擬器 處于正常工作狀態；
[0020] 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位 0x01，跳轉到空閑狀態，
[0021] 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬時，輸出ITL相對輸入延時正常狀態下 的雙倍延時時間輸出；
[0022] 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位 0x02,跳轉到空閑狀態，
[0023] 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬時，輸出ITL下降沿相對輸入ITL上升 沿延時相應時間輸出；
[0024] 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位 0x03,跳轉到空閑狀態，
[0025] 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬時，輸出ITL脈寬為輸入ITL脈寬的一 半，無延時；
[0026] 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位 0x04,跳轉到空閑狀態，
[0027] 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬時，輸出ITL脈寬為輸入ITL脈寬的2 倍，無延時；
[002引當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位 0x05,跳轉到空閑狀態，
[0029] 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬時，輸出ITL相對輸入ITL反相，無延 時；
[0030] 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位 0x06,跳轉到空閑狀態，
[0031] 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬時，輸出ITL相對輸入TTL同相，無延 時。
[0032] 本發明的有益效果為：采用一號1TL接收接口、二號ITL接收接口和S號！TL接 收接口接收星上信號，采用G485故障接收接口接收485故障注入信號，通過FPGA接收的 485故障注入信號對3路星上控制信號進行脈寬采集和延時，將結果進行信號隔離和信號 放大，最后經一號ITL發送接口、二號ITL發送接口和S號！TL發送接口將處理后的信號輸 出，完成故障的模擬。它可用于小衛星姿控分系統的半實物仿真和測試中。
[0033] 有益效果；1、磁力矩器模擬裝置能夠有效模擬真實的星上磁力矩器，對3路星上 控制信號進行脈寬采集和延時，使得從星上控制信號到地面接收終端的測試通路構成一個 閉環，縮短設備研發周期，具有經濟性、安全性和可靠性。
[0034] 2、包含故障注入通道和ITL脈寬采集及延時功能，并且具備故障注入和延時時間 可調整等工作參數可配置功能，能有效地提高測試效率和電模擬器的通用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035] 圖1為磁力矩器對外接口原理示意圖，
[0036] 圖2為磁力矩器電模擬器功能示意圖，
[0037] 圖3為【具體實施方式】一所述的具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器的原理示 意圖，
[0038] 圖4為具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器中FPGA的邏輯框圖，
[0039] 圖5為具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器的故障模塊流程圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0040] 一；參照圖3具體說明本實施方式，本實施方式所述的具有故障模 擬功能的磁力矩器電模擬器，它包括一號TTL接收接口 1、二號ITL接收接口 2、S號1TL接 收接口 3、G485故障接收接口 4、輸入信號隔離電路5、FPGA6、輸出信號隔離電路7、驅動放 大電路8、一號ITL發送接口 9、二號ITL發送接口 10和S號1TL發送接口 11，
[0041] 所述一號ITL接收接口 1、二號ITL接收接口 2和S號1TL接收接口 3的并行數據 信號輸出端分別連接輸入信號隔離電路5的并行數據信號輸入端，輸入信號隔離電路5的 3路隔離信號輸出端分別連接FPGA6的3路隔離信號輸入端，G485故障接收接口 4的故障 注入信號輸出端連接FPGA6的故障注入信號輸入端，
[0042] FPGA(6)用于解析故障類型，根據故障類型對3路故障數據進行脈寬采集和時間 延時，
[0043] FPGA(6)的3路控制信號輸出端分別連接輸出信號隔離電路7的3路控制信號輸 入端，輸出信號隔離電路7的3路隔離信號輸出端分別連接驅動放大電路8的3路隔離信 號輸入端，驅動放大電路8的3路驅動信號輸出端分別連接一號TTL發送接口 9的驅動信 號輸入端、二號ITL發送接口 10的驅動信號輸入端和S號！TL發送接口 11的驅動信號輸 入端。
[0044] 本實施方式中，磁力矩器模擬器主要應用于小衛星姿控分系統的測試中，替代真 實的星上磁力矩器，模擬3路從星載計算機傳給磁力矩器驅動電路的ITL控制信號，W及驅 動電路輸出給遙測系統用于檢測激磁電流的3路ITL遙測信號，并傳輸給執行機構采集卡 進行采集構成閉環，實現小衛星姿控分系統的調試。模擬器的功能示意圖如圖2所示，它具 備3路ITL接收通道和1路G485故障注入通道，3路通道可并行接收星載計算機傳來的控 制信號，接收的3路TTL電平信號經過FPGA進行脈寬采集和延時，再通過3路ITL信號發 送通道將遙測信號發送出去。由于衛星在軌運行過程中，會有各種故障情況發生。針對上 述情況，本模擬器加入一條故障注入通道，來模擬磁力矩器在軌發生的真實故障。與真實的 磁力矩器相比，磁力矩器模擬器可W代替真實的磁力矩器參與小衛星地面閉環仿真測試， 有效地降低衛星地面測試過程中的測試成本，提高測試過程的安全性和可靠性，并能實現 磁力矩器故障模擬和在軌故障地面復現的功能。同時，由于可W在線調整模擬裝置的內部 參數（比如延時時間可調），使得模擬器具有廣泛的通用性，同時可提高測試效率。
[0045] 本實施方式中，模擬器工作時G485總線故障輸入和3路ITL控制信號同時接收， 485故障數據經過FPGA內部FIFO緩存即可，緩存的數據故障處理之后，發送給FPGA中屯、模 塊對3路ITL信號進行脈寬采集及延時處理。
[0046] 本實施方式中，電模擬器工作時，同時接收3路ITL信號和485故障注入信號，3路 通道并行接收G485故障注入數據。根據解析出的不同的故障類型，FPGA對3路ITL輸入 數據進行相應的故障處理W及脈寬采集，之后并行輸出3路TTL輸出信號。注入的G485數 據信號對應于一個FIFO緩存。緩存中存儲的數據超過一帖數據的容量時，就向中屯、單元中 屯、處理模塊發出請求，注入故障給3路ITL信號進行相應處理。
【具體實施方式】 [0047] 二；本實施方式是對一所述的具有故障模擬功能的磁 力矩器電模擬器作進一步說明，本實施方式中，輸入信號隔離電路5采用NVE公司生產的型 號為IL715的信號隔離巧片進行星地隔離。
【具體實施方式】 [0048] 本實施方式是對一所述的具有故障模擬功能的磁 力矩器電模擬器作進一步說明，本實施方式中，輸出信號隔離電路7采用AD公司生產的型 號為ADUM6400的脈沖變壓器隔離巧片實現。
【具體實施方式】 [0049] 四；驅動放大電路8采用TI公司生產的型號為SN74ABT245DB的八 總線收發器巧片實現。
【具體實施方式】 [0050] 五；本實施方式是對一所述的具有故障模擬功能的磁 力矩器電模擬器作進一步說明，本實施方式中，G485故障接收接口 4采用TI公司生產的型 號為SN65LBC176孤的總線收發器實現。
【具體實施方式】 [0051] 六；本實施方式是對一所述的具有故障模擬功能的 磁力矩器電模擬器作進一步說明，本實施方式中，FPGA6采用Altera公司生產的型號為 EP1C12Q240口的 FPGA 巧片實現。
[0052]
【具體實施方式】走；根據【具體實施方式】一所述的具有故障模擬功能的磁力矩器電模 擬器實現的故障模擬方法，電模擬器工作時，從一號ITL接收接口 1、二號ITL接收接口 2、 S號TTL接收接口 3接收的3路TTL信號通過輸入信號隔離電路5的隔離進入FPGA6，FPGA6 同時接收3路ITL數據信號和從G485故障接收接口 4發出的485故障注入數據信號，FPGA6 對3路ITL輸入數據進行相應的故障處理W及脈寬采集，解析出的不同的故障類型，之后通 過輸出信號隔離電路7的隔離和驅動放大電路8的信號放大，從一號ITL發送接口 9、二號 ITL發送接口 10和S號1TL發送接口 11并行輸出3路ITL輸出信號。
【具體實施方式】 [0053] 八；參照圖4具體說明本實施方式，根據一所述的具 有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，FPGA6采用狀態機的方式實現：
[0化4] FPGA6內部包括空閑狀態、故障處理狀態、采集輸入脈寬狀態、延時狀態和輸出狀 態，
[0化5]當空閑狀態接收到有故障數據注入時，跳轉到故障處理狀態；
[0化6] 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型，跳轉到空閑 狀態；
[0化7] 當空閑狀態接收到輸入信號有跳變時，跳轉到采集輸入脈寬狀態；
[0化引當采集輸入脈寬狀態接收到采集完畢后，跳轉到延時狀態，
[0化9] 當延時狀態接收到延時時間結束后，跳轉到輸出狀態，
[0060] 輸出1TL信號后進入空閑狀態。
【具體實施方式】 [0061] 九；根據八所述的具有故障模擬功能的磁力矩器電模 擬器，空閑狀態接收的故障數據注入為6個字節，字節1至字節4為延時時間，字節5為故 障類型，字節6為故障時間，故障類型為7種類型，故障類型1為數據位0x00,故障類型2為 數據位0x01，故障類型3為數據位0x02,故障類型4為數據位0x03,故障類型5為數據位 0x04,故障類型6為數據位0x05,故障類型7為數據位0x06。
[0062] 本實施方式中，故障注入模塊將數據存入FPGA內部FIFO中等待發送。故障數據 帖W邸90為帖起始，故障解析模塊檢測到邸90即開始對故障數據進行處理，并將對應磁力 矩器故障的處理結果發送給ITL信號處理單元。磁力矩器電模擬器故障注入字節（共6個 字節）如表1所示。字節1?4代表延時時間，不同故障類型參數對應的故障模擬功能如 表2所示。
[0063] 表1模擬器故障注入字節
[0064]
【權利要求】
1. 具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，其特征在于，它包括一號TTL接收接口 (1)、二號TTL接收接口（2)、三號TTL接收接口（3)、G485故障接收接口（4)、輸入信號隔離 電路（5)、FPGA(6)、輸出信號隔離電路（7)、驅動放大電路（8)、一號TTL發送接口（9)、二號 TTL發送接口（10)和三號TTL發送接口（11)， 所述一號TTL接收接口（1)、二號TTL接收接口（2)和三號TTL接收接口（3)的并行數 據信號輸出端分別連接輸入信號隔離電路（5)的并行數據信號輸入端，輸入信號隔離電路 (5)的3路隔離信號輸出端分別連接FPGA(6)的3路隔離信號輸入端，G485故障接收接口 (4)的故障注入信號輸出端連接FPGA(6)的故障注入信號輸入端， FPGA(6)用于解析故障類型，根據故障類型對3路故障數據進行脈寬采集和時間延時， FPGA(6)的3路控制信號輸出端分別連接輸出信號隔離電路（7)的3路控制信號輸入 端，輸出信號隔離電路（7)的3路隔離信號輸出端分別連接驅動放大電路（8)的3路隔離 信號輸入端，驅動放大電路（8)的3路驅動信號輸出端分別連接一號TTL發送接口（9)的 驅動信號輸入端、二號TTL發送接口（10)的驅動信號輸入端和三號TTL發送接口（11)的 驅動信號輸入端。
2. 根據權利要求1所述的具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，其特征在于，輸入 信號隔離電路（5)采用NVE公司生產的型號為IL715的信號隔離芯片進行星地隔離。
3. 根據權利要求1所述的具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，其特征在于，輸出 信號隔離電路（7)采用AD公司生產的型號為ADUM6400的脈沖變壓器隔離芯片實現。
4. 根據權利要求1所述的具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，其特征在于，驅動 放大電路（8)采用TI公司生產的型號為SN74ABT24OTB的八總線收發器芯片實現。
5. 根據權利要求1所述的具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，其特征在于，G485 故障接收接口（4)采用TI公司生產的型號為SN65LBC176QD的總線收發器實現。
6. 根據權利要求1所述的具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，其特征在于， FPGA(6)采用Altera公司生產的型號為EP1C12Q240I7的FPGA芯片實現。
7. 根據權利要求1所述的具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，其特征在于， FPGA (6)采用狀態機的方式實現： FPGA ￠)內部包括空閑狀態、故障處理狀態、采集輸入脈寬狀態、延時狀態和輸出狀態， 當空閑狀態接收到有故障數據注入時，跳轉到故障處理狀態； 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型，跳轉到空閑狀 態； 當空閑狀態接收到輸入信號有跳變時，跳轉到采集輸入脈寬狀態； 當采集輸入脈寬狀態接收到采集完畢后，跳轉到延時狀態， 當延時狀態接收到延時時間結束后，跳轉到輸出狀態， 輸出TTL信號后進入空閑狀態。
8. 根據權利要求7所述的具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，其特征在于，空閑 狀態接收的故障數據注入為6個字節，字節1至字節4為延時時間，字節5為故障數據類型， 字節6為故障時間，故障數據類型為7種類型，故障數據類型1為數據位0x00,故障數據類 型2為數據位0x01，故障數據類型3為數據位0x02,故障數據類型4為數據位0x03,故障數 據類型5為數據位0x04,故障數據類型6為數據位0x05,故障數據類型7為數據位0x06。
9.根據權利要求7或8所述的具有故障模擬功能的磁力矩器電模擬器，其特征在于， 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位0x00,跳 轉到空閑狀態， 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬信號時，延遲相應時間輸出，電模擬器處于 正常工作狀態； 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位0x01，跳 轉到空閑狀態， 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬時，輸出TTL相對輸入延時正常狀態下的雙 倍延時時間輸出； 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位0x02,跳 轉到空閑狀態， 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬時，輸出TTL下降沿相對輸入TTL上升沿延 時相應時間輸出； 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位0x03,跳 轉到空閑狀態， 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬時，輸出TTL脈寬為輸入TTL脈寬的一半，無 延時； 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位0x04,跳 轉到空閑狀態， 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬時，輸出TTL脈寬為輸入TTL脈寬的2倍，無 延時； 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位0x05,跳 轉到空閑狀態， 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬時，輸出TTL相對輸入TTL反相，無延時； 當故障處理狀態接收到故障處理完畢信號時，解析出故障數據類型為數據位0x06,跳 轉到空閑狀態， 當空閑狀態接收到采集輸入TTL電平脈寬時，輸出TTL相對輸入TTL同相，無延時。
【文檔編號】G05B23/02GK104503431SQ201410705537
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】趙光權, 周軍, 王少軍, 李冬柏, 劉歡, 栗明明, 陳東棟 申請人:哈爾濱工業大學