單片式三軸磁力矩器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明公開了單片式H軸磁力矩器，屬于衛星姿態控制的技術領域。
【背景技術】
[0002] 目前，國內外研制的星上磁力矩器主要有H種：開關式磁力矩器、單極性線性可調 式磁力矩器和雙極性線性可調式磁力矩器。磁力矩器的執行部件主要是磁棒和空也線圈。 文獻大磁矩磁力矩器驅動電路的一種設計方案（范佳壁，王友平，崔赦曼，空間控制技術與 應用，2010, 36 (2) : 58-62.)中提出了一種1500~2000A .mS的大磁矩開關式磁力矩器的驅 動電路設計方案，電路主要采用脈寬調制和H橋驅動的形式，根據輸入信號的不同，輸出的 激磁電流呈線性變化。該種磁力矩器雖然輸出的磁矩比較大，但對于立方體衛星來說其功 耗過大，剩磁的影響也很大，而且磁矩控制信號不能通過輸入信號的正負直接換向，需要 采用過零的控制方式。文獻低軌小衛星高性能磁力矩器的設計與實現（孔慶松，中國科學 院研究生院（空問科學與應用研究中也），2006)提出了一種新的線性可調式磁力矩器控制 電路一帶反饋的電流幅度控制電路，即采用了閉環控制電路。該種控制方法輸出的磁矩 線性度高，并且能夠較好的控制磁力矩器的剩磁，但電路的結構就相對復雜，由于使用了電 壓放大電路，使得電路的效率大大降低。文獻皮衛星姿控系統的敏感器和執行機構電路設 計（朱小豐，浙江大學，2011)和文獻皮衛星姿態確定與控制系統方案設計與實現（蒙濤， 浙江大學，2006)中描述了與偏置動量輪相結合的開關式磁力矩器。文獻Reconfigur油le magnetorquer for the CubePMT module of CubeSat satellites[C]//Multitopic Conference (Ali A,Reyneri L，de los Rios J C，et al. 2012 15th International. IEEE, 2012:178-183.)提出了一種可重構的片上磁力矩器，其產生磁矩的部分采用的是空也線 圈，可W使用單個、兩個、H個或四個線圈串聯、并聯或者混合連接，該種可重構性的優點在 于可W產生任意大小的偶極矩并且可W控制功耗和產熱。該磁力矩器尺寸小，而且重量輕， 更重要的是，線圈的產熱也很低，但對開關的控制就比較復雜。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的技術問題是針對上述【背景技術】的不足，提供了單片式H軸磁力 矩器，W解決功耗大且剩磁矩影響大、驅動控制電路結構復雜的技術問題。
[0004] 本發明為實現上述發明目的采用如下技術方案：
[0005] 單片式H軸磁力矩器，包括H個正交方向上的通電回路W及相對應的驅動控制電 路，兩個正交方向上的通電回路均為在驅動電流作用下產生磁矩的磁棒，另一個正交方向 上的通電回路為在驅動電流作用下產生磁矩的空也線圈，空也線圈、2根磁棒集成在線圈電 路板上，H個驅動電路集成在驅動電路板上，驅動電路板通過標準排針與線圈電路板連接， 2根磁棒垂直集成在電路板上形成笛卡爾直角坐標系，n層空也線圈繞制在線圈電路板上 形成線徑為d的空也線圈陣列，
[000引線徑d ; w ,M = /￥(。+/抑。一+ 為目標函數，= 為邊界函數確 過 a 3 口- ^ 定，其中，m為磁矩，I為通過空也線圈的電流，a為線圈電路板邊長，P為功耗，P為空也線 圈的電阻系數，1。為單面空也線圈的長度，S。為空也線圈的橫截面積。
[0007] 作為所述單片式H軸磁力矩器的進一步優化方案，3個驅動電路均為雙極性線性 可調式控制電路，所述雙極性線性可調式控制電路包括：
[000引 反向放大電路、功放電路；
[0009] 方向放大電路輸入端接控制信號，輸出反比例放大信號至功放電路的輸入端；
[0010] 功放電路輸出控制電流給磁棒或空也線圈，磁棒或空也線圈在控制電流作用下產 生磁矩。
[0011] 進一步的，所述單片式H軸磁力矩器中，空也線圈陣列通過在線圈電路板上覆銅 形成。
[0012] 進一步的，所述單片式H軸磁力矩器中，磁棒帶磁芯且經過退火處理。
[0013] 進一步的，所述單片式H軸磁力矩器中，線圈電路板和驅動電路板均為采用PC104 規格的尺寸和排針定義的模塊化電路板。
[0014] 本發明采用上述技術方案，具有W下有益效果；將線圈電路與驅動控制電路集成 在電路板上并通過指針接通兩塊電路板，W單片式結構實現了磁力矩器，簡化結構。
【附圖說明】
[0015] 圖1(a)為線圈電路板示意圖，圖1(b)為驅動電路板示意圖。
[0016] 圖2為磁力矩器原理圖。
[0017] 圖3為驅動控制電路的框圖。
[0018] 圖4為磁棒測試原理圖。
[0019] 圖5為磁棒電流-磁矩關系曲線圖。
[0020] 圖6為空也線圈電流-磁矩曲線圖。
[0021] 圖7為驅動電路電流-電壓關系曲線圖。
[0022] 圖8為磁力矩器電流電壓關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明。
[0024] 磁力矩器由通電回路和相應的控制電路兩部分組成，通電回路可W是帶磁芯的磁 棒或者是空也線圈。本發明涉及的單片式磁力矩器，包括X、y和Z H個正交方向上的通電 回路W及相對應的驅動控制電路，兩個正交方向上的通電回路均為在驅動電流作用下產生 磁矩的磁棒，另一個正交方向上的通電回路為在驅動電流作用下產生磁矩的空也線圈，空 也線圈、2根磁棒集成在線圈電路板上，H個驅動電路集成在驅動電路板上，驅動電路板通 過標準排針與線圈電路板連接，2根磁棒垂直集成在電路板上形成笛卡爾直角坐標系，n層 空也線圈繞制在線圈電路板上形成線徑為d的空也線圈陣列。磁力矩器的原理如圖2所示， 根據衛星當前的姿態給驅動控制電路輸入模擬信號，驅動控制電路對輸入的模擬信號反向 放大后產生控制電流（即線圈上的工作電流），通電回路（即為線圈電路板）產生的磁矩與 地磁場相互作用產生磁力矩，從而控制衛星的姿態。
[0025] 本發明涉及的單片式磁力矩器包括：圖1(a)所示的線圈電路板W及圖1(b)所示 的驅動電路板。線圈電路板由2根磁棒和植入電路板的線圈組成，成為磁力矩器產生磁矩 的部分。驅動電路板采用雙極性線性可調式控制電路設計，可根據輸入的指令電壓輸出所 需的線圈電流，電流大小和方向可控。為了便于集成和替換，片式磁力矩器的電路板設計采 用了 PC104規格的尺寸和接口定義，可方便與立方體衛星進行集成測試。
[0026] 驅動控制電路如圖3所示，包括反向放大器、己類功放電路。根據衛星當前的姿態 給驅動控制電路輸入模擬信號，反向放大器對模擬信號反向處理后傳輸至己類功放電路， 己類功放電路反向后的模擬信號放大后產生控制電流（即線圈上的工作電流），通電回路 再控制電流作用下產生的磁矩與地磁場相互作用產生磁力矩，從而控制衛星的姿態。通過 調節輸入模擬信號的值來改變控制電流的幅值，通過輸入模擬信號的正負來改變輸出電流 的方向。
[0027] 已知衛星的軌道坐標，通過磁強計測出衛星當前所處的地磁場環境強度，進而判 斷衛星的姿態，計算需要調整的角度。星上計算機根據判斷結果輸出指令電壓，在磁力矩器 的驅動電路輸出電流，在互相垂直的H個方向的通電線圈分別產生x、y和Z軸方向的磁場 強度B。通電線圈回路能產生一定大小的磁矩M，在地磁場環境中與地磁相互作用產生磁 力矩f，并通過調整磁棒上流過的電流大小來產生需要的轉動磁力矩，從而調整衛星的姿 態W完成姿態控制。
[002引磁力矩器的空也線圈，作如下定義：
[0029] S。;導線的橫截面積，1。;單面線圈的長度，P :導線的電阻系數，A ;線圈的截面積， m ;線圈產生的磁矩，N ;線圈面數，I ;通過線圈的電流，R ;線圈的電阻，P ;線圈的功耗。
[0030] 空也載流線圈的磁矩：
[00；31] m = NIA,
[0032] 線圈電阻：
[0033]
【主權項】
1. 單片式三軸磁力矩器，包括三個正交方向上的通電回路以及相對應的驅動控制電 路，兩個正交方向上的通電回路均為在驅動電流作用下產生磁矩的磁棒，另一個正交方向 上的通電回路為在驅動電流作用下產生磁矩的空心線圈，其特征在于，空心線圈、2根磁棒 集成在線圈電路板上，三個驅動電路集成在驅動電路板上，驅動電路板通過標準排針與線 圈電路板連接，2根磁棒垂直集成在電路板上形成笛卡爾直角坐標系，η層空心線圈繞制在 線圈電路板上形成線徑為d的空心線圈陣列， 線徑cM
為目標函數，
b邊界函數確定， 其中，m為磁矩，I為通過空心線圈的電流，a為線圈電路板邊長，P為功耗，P為空心線圈 的電阻系數，Itl為單匝空心線圈的長度，S C1為空心線圈的橫截面積。
2. 根據權利要求1所述的單片式三軸磁力矩器，其特征在于，3個驅動電路均為雙極性 線性可調式控制電路，所述雙極性線性可調式控制電路包括： 反向放大電路、功放電路； 方向放大電路輸入端接控制信號，輸出反比例放大信號至功放電路的輸入端； 功放電路輸出控制電流給磁棒或空心線圈，磁棒或空心線圈在控制電流作用下產生磁 矩。
3. 根據權利要求1或2所述的單片式三軸磁力矩器，其特征在于，所述空心線圈陣列通 過在線圈電路板上覆銅形成。
4. 根據權利要求1或2所述的單片式三軸磁力矩器，其特征在于，磁棒帶磁芯且經過退 火處理。
5. 根據權利要求1或2所述的單片式三軸磁力矩器，其特征在于，線圈電路板和驅動電 路板均為采用PC104規格的尺寸和排針定義的模塊化電路板。
【專利摘要】本發明公開了單片式三軸磁力矩器，屬于衛星姿態控制的技術領域，包括三個正交方向上的通電回路以及相對應的驅動控制電路，兩個正交方向上的通電回路均為在驅動電流作用下產生磁矩的磁棒，另一個正交方向上的通電回路為在驅動電流作用下產生磁矩的空心線圈，空心線圈、2根磁棒集成在線圈電路板上，三個驅動電路集成在驅動電路板上，驅動電路板通過標準排針與線圈電路板連接，2根磁棒垂直集成在電路板上形成笛卡爾直角坐標系，n層空心線圈繞制在線圈電路板上形成線徑為d的空心線圈陣列。本發明將線圈電路與驅動控制電路集成在電路板上并通過指針接通兩塊電路板，以單片式結構實現了磁力矩器，簡化結構。
【IPC分類】H02K11-00, H02K41-02, H02K3-28
【公開號】CN104638874
【申請號】CN201510002921
【發明人】周瓊峰, 康國華, 陳雪芬
【申請人】南京航空航天大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月5日