動(dòng)量輪模擬器的設計

引言

在衛星姿態(tài)和軌道控制計算機(AOCC)分系統的設計和室內聯(lián)調階段，為方便系統調試，需設計動(dòng)量輪模擬器，模擬執行機構動(dòng)量輪所決定的衛星姿態(tài)和控制效果，代替真實(shí)部件進(jìn)行分系統的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)試驗。

動(dòng)量輪模擬器的系統結構和功能

本模擬器的核心處理芯片采用TI的TMS320VC33(以下簡(jiǎn)稱(chēng)VC33)，該芯片是一款高性能、高性?xún)r(jià)比的32位浮點(diǎn)DSP|0">DSP處理器。系統結構如圖1所示。

動(dòng)量輪模擬器是衛星控制系統地面測試設備的一部分，主要完成對來(lái)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(dòng)量輪的轉動(dòng)情況，向衛星和地檢設備輸出轉速脈沖、工作狀態(tài)、轉動(dòng)狀態(tài)和電樞電流模擬信號。

動(dòng)量輪模擬器具有開(kāi)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，用于設備自檢或運行時(shí)，控制和顯示動(dòng)量輪模擬器的開(kāi)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動(dòng)慣量的動(dòng)量輪。

動(dòng)量輪模擬器的硬件設計

DSP的選型：本系統模擬某衛星4個(gè)動(dòng)量輪的運行，主要工作為：采集4路彼此獨立的差分控制電壓，按輪角速度公式ω=ω+Ut×K×t／J(ω為動(dòng)量輪角速度，Ut為動(dòng)量輪輸入控制電壓，t為動(dòng)量輪運算周期，K為比例常數，J為動(dòng)量輪轉動(dòng)慣量)計算后，以24個(gè)脈沖／轉輸出轉速頻率，并調理成地檢設備要求的幅值。這里的計算需要選擇高速且支持浮點(diǎn)運算的處理器。

VC33是32位浮點(diǎn)處理器，其功能結構與C31相似，但由于在時(shí)鐘、電源、存儲區設計上做了優(yōu)化，其工作速度更快(每條指令執行只需13ns)、功耗更小，并集成了較大的片內存儲區。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較為理想。

動(dòng)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，內置4路同步采樣保持器。在實(shí)際應用中分別采集來(lái)自主、備AOCC的各4路控制電壓，將其經(jīng)過(guò)阻抗匹配后，連接到MAX125的輸入端，轉換結果送給DSP處理。CPLD提供ADC的控制信號，在邏輯內部實(shí)現對ADC啟動(dòng)信號、轉換通道的選擇。

電樞電流輸出：上述DSP計算結果并行傳送給邏輯芯片EPM7128，DSP通過(guò)邏輯芯片實(shí)現對DAC7615的片選、時(shí)鐘、數據和啟動(dòng)轉換的控制；DAC7615是12位串行數字量輸入，4路單端電壓輸出的DAC，D／A轉換速率為76ksps×4通道，轉換精度為±0.1％FSR。本設計中，將其配置為單極性0～2.5V輸出，再經(jīng)運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。

對于A(yíng)OCC的控制指令，經(jīng)相應電平轉換電路后，連接到CPLD識別，然后送給DSP處理。對于轉動(dòng)狀態(tài)和電源狀態(tài)，則根據DSP計算結果輸出；外擴串口控制芯片16C2552，與觸摸顯示液晶屏進(jìn)行通信，將輪轉速及狀態(tài)進(jìn)行顯示。VC33的浮點(diǎn)運算能力為120MIPS，完全滿(mǎn)足轉速脈沖的計算要求。兩種動(dòng)量輪的選擇開(kāi)關(guān)設計在觸摸顯示液晶屏上，通過(guò)串口將不同的輪轉動(dòng)慣量特征送給DSP處理。

所有數字輸入信號均為比較器接入，所有數字輸出信號都為三極管驅動(dòng)輸出，控制指令為0／12V數字信號，轉速脈沖為0／12V數字信號，電源狀態(tài)和轉速方向為0和開(kāi)路兩種狀態(tài)數字信號。

動(dòng)量輪模擬器軟件結構

動(dòng)量輪模擬器軟件主要是指DSP的應用程序，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。并判斷系統是工作在自檢狀態(tài)還是模擬輪運轉狀態(tài)，依情況控制，系統采集數據或提取觸摸屏鍵入的數據，以便做角速度和角度的計算。

電樞電流和液晶屏的顯示數據1s刷新一次。輪的轉動(dòng)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。轉速頻率以24個(gè)脈沖／轉輸出時(shí)，每個(gè)脈沖代表360／24=15°，占空比為50％，每隔7.5°角頻率端口翻轉一次。

動(dòng)量輪模擬器的運行效果

動(dòng)量輪模擬器作為衛星控制系統地面測試設備的組成部分，完成了預期的功能：在地面測試設備移動(dòng)后，對地面測試設備進(jìn)行全面快速自檢，確保其與衛星對接時(shí)不會(huì )損壞衛星電路，以便正確測試衛星數據；模擬動(dòng)量輪部件，經(jīng)采集和運算后輸出按照控制力矩的大小和方向變化的轉速脈沖。

本模擬器成功模擬了動(dòng)量輪部件，已通過(guò)了用戶(hù)驗收，并應用在了某型號衛星的AOCC分系統和整星試驗的測試項目中。

結語(yǔ)

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