适用于微小卫星的多轴动量轮系统的制作方法

1.本发明涉及卫星动量轮技术领域，具体为适用于微小卫星的多轴动量轮系统。


背景技术：

2.动量轮就是通过支架或框架安装在航天器上的一个通过电机驱动的旋转体，是卫星姿态控制的重要执行部件，单颗卫星如需完成俯仰、偏航和滚动等姿态调整，通常需要布置多组动量轮，传统卫星采用金字塔式布置或三正一斜布置，现有的动量轮尤其是具备较大转动惯量的动量轮多采用单轴设计，一颗卫星往往需要安装至少三个动量轮单机；
3.但是目前微小卫星使用的动量轮存在安装包络大、质量重、安装精度难以控制等问题，且多个动量轮均需要使用线缆与星体上供电/控制端接口相连，走线复杂。


技术实现要素：

4.本发明提供适用于微小卫星的多轴动量轮系统，可以有效解决上述背景技术中提出目前微小卫星使用的动轮存在安装包络大、质量重、安装精度难以控制等问题，且多个动量轮均需要使用线缆与星体上供电/控制端接口相连，走线复杂的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：适用于微小卫星的多轴动量轮系统，包括壳体，所述壳体包括上盖和底壳；
6.上盖的底端通过螺钉连接有底壳；
7.所述底壳的内侧安装有惯量盘机构，所述惯量盘机构包括固定凸台、固定底板、竖直侧板、斜侧板、安装卡槽、固定孔、筋板、电机、安装孔、连接轴和惯量盘；
8.所述底壳的内侧顶部安装有四个固定凸台，所述固定凸台的顶端通过螺钉连接有固定底板，所述固定底板顶端边部安装有四块竖直侧板，相邻所述竖直侧板的顶端安装有斜侧板，所述竖直侧板、斜侧板和固定底板的中部均开设有安装卡槽，所述竖直侧板、斜侧板和固定底板的中部对应安装卡槽位置处开设有固定孔，所述竖直侧板中部安装有筋板，所述安装卡槽的内侧安装有电机，所述电机一端边部等角度开设有安装孔，所述电机的一端部中部安装有连接轴，所述连接轴一端安装有惯量盘。
9.根据上述技术方案，所述固定底板的四个拐角位置处均开设有固定圆孔，螺钉穿过固定圆孔与固定凸台拧紧；
10.所述电机一端的固定孔与安装孔对齐。
11.根据上述技术方案，所述固定底板顶端的四块竖直侧板侧边依次相连，在其中一个连接位置处安装斜侧板；
12.所述惯量盘的中部镂空，惯量盘的材质为黄铜
13.根据上述技术方案，所述安装卡槽开设有四个，一个安装卡槽开设于斜侧板中部，一个安装卡槽开设于固定底板中部，剩余两个安装卡槽开设于远离斜侧板的竖直侧板中部。
14.根据上述技术方案，所述底壳的内侧安装有控制机构，所述控制机构包括固定柱、
垫块、导热硅胶块、pcb板和电源接口；
15.所述底壳的内侧安装有固定柱，所述底壳的顶端中部安装有垫块，所述底壳的顶端安装有导热硅胶块，所述固定柱的顶端通过螺钉连接有pcb板，所述pcb板的顶部安装有电源接口。
16.根据上述技术方案，所述底壳的侧端对应电源接口位置处开设有放置孔，所述电源接口卡接于放置孔内部；
17.所述导热硅胶块与pcb板底端接触。
18.根据上述技术方案，所述pcb板的控制核心为flash fpga芯片，flash fpga芯片带有arm内核；
19.通过flash fpga芯片实现包括磁场定向控制、速度控制、电流控制、速度解算、位置解算的惯量盘控制算法；
20.通过arm内核实现负载特性分析、速度曲线分析、过程控制和保护，读取存储在非易失性存储器中的配置数据和保存关键变量。
21.根据上述技术方案，所述flash fpga芯片的输入端设置有存储器、气压传感器、温度传感器、电流电压监测adc采样和安装于电机208的热敏采样电阻；
22.动量轮系统对外的接口包含互为备份的cana、canb、rs422a和rs422b，可与星务进行双向数据通信，内部留有jtag接口，实现fpga和arm核的程序下载及调试
23.根据上述技术方案，所述电机、连接轴和惯量盘组成飞轮结构，飞轮的输出端连接有电流采样adc、霍尔采样adc，飞轮的输入端连接有集成驱动；
24.flash fpga芯片通过集成驱动器控制飞轮的旋转，并通过电流采样adc、霍尔采样adc接收飞轮电流及转速、角度等数据。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果：
26.1、通过设置固定凸台、固定底板、竖直侧板、斜侧板、安装卡槽、固定孔、筋板、电机、安装孔、连接轴和惯量，同时设置多个飞轮结构，相较于单个飞轮集成度更高，体积小，质量轻，保证了各轴夹角精度，便于后续姿态控制。
27.2、通过使用带arm核的flash fpga芯片作为控制核心，便于高效电机控制算法的部署，且flash型的fpga具有高安全性和高可靠性，能有效解决空间环境中的高能粒子导致的控制器失效问题，极大的提高了系统的可靠性。
附图说明
28.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
29.图1是本发明的结构示意图；
30.图2是本发明斜侧板的结构示意图；
31.图3是本发明惯量盘的结构示意图；
32.图4是本发明电机的结构示意图；
33.图5是本发明pcb板的结构示意图；
34.图6是本发明电源接口的结构示意图；
35.图7是本发明导热硅胶块的结构示意图；
36.图8是本发明的控制结构示意图；
37.图中标号：1、壳体；101、上盖；102、底壳；
38.2、惯量盘机构；201、固定凸台；202、固定底板；203、竖直侧板；204、斜侧板；205、安装卡槽；206、固定孔；207、筋板；208、电机；209、安装孔；210、连接轴；211、惯量盘；
39.3、控制机构；301、固定柱；302、垫块；303、导热硅胶块；304、pcb板；305、电源接口。
具体实施方式
40.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
41.实施例：如图1-7所示，本发明提供一种技术方案，适用于微小卫星的多轴动量轮系统，包括壳体1，壳体1包括上盖101和底壳102；
42.上盖101的底端通过螺钉连接有底壳102；
43.底壳102的内侧安装有惯量盘机构2，惯量盘机构2包括固定凸台201、固定底板202、竖直侧板203、斜侧板204、安装卡槽205、固定孔206、筋板207、电机208、安装孔209、连接轴210和惯量盘211；
44.底壳102的内侧顶部安装有四个固定凸台201，固定凸台201的顶端通过螺钉连接有固定底板202，固定底板202的四个拐角位置处均开设有固定圆孔，螺钉穿过固定圆孔与固定凸台201拧紧，方便固定底板202的安装，固定底板202顶端边部安装有四块竖直侧板203，相邻竖直侧板203的顶端安装有斜侧板204，固定底板202顶端的四块竖直侧板203侧边依次相连，在其中一个连接位置处安装斜侧板204，方便斜侧板204的设置，竖直侧板203、斜侧板204和固定底板202的中部均开设有安装卡槽205，竖直侧板203、斜侧板204和固定底板202的中部对应安装卡槽205位置处开设有固定孔206，竖直侧板203中部安装有筋板207，安装卡槽205的内侧安装有电机208，电机208一端边部等角度开设有安装孔209，电机208一端的固定孔206与安装孔209对齐，方便电机208的定位安装，电机208的一端部中部安装有连接轴210，连接轴210一端安装有惯量盘211，安装卡槽205开设有四个，一个安装卡槽205开设于斜侧板204中部，一个安装卡槽205开设于固定底板202中部，剩余两个安装卡槽205开设于远离斜侧板204的竖直侧板203中部，能够集中的安装三个惯量盘211，得到体积小、重量轻的动量轮组，惯量盘211的中部镂空，惯量盘211的材质为黄铜。
45.通过将四个电机208分别置于两个竖直侧板203、斜侧板204和固定底板202中部的安装卡槽205位置，用螺钉穿过固定孔206和安装孔209将电机208安装，电机208一端的连接轴210一端连接有惯量盘211，惯量盘211置于固定底板202、竖直侧板203和斜侧板204外侧，形成多轴动量轮结构，相比于四个单独的动量轮，且整体结构体积质量小，不占用较大的空间。
46.底壳102的内侧安装有控制机构3，控制机构3包括固定柱301、垫块302、导热硅胶块303、pcb板304和对外接口305；
47.底壳102的内侧安装有固定柱301，底壳102的顶端中部安装有垫块302，底壳102的顶端安装有导热硅胶块303，固定柱301的顶端通过螺钉连接有pcb板304，导热硅胶块303与pcb板304底端接触，方便对pcb板304底端结构散发的热量进行导出，增加散热效果，避免pcb板304损坏，pcb板304的顶部安装有电源接口305，底壳102的侧端对应电源接口305位置
处开设有放置孔，电源接口305卡接于放置孔内部，方便电源接口305的安装和电源连接。
48.如图8所示，pcb板304的控制核心为flash fpga芯片，flash fpga芯片带有arm内核；
49.通过flash fpga芯片实现包括磁场定向控制、速度控制、电流控制、速度解算、位置解算的控制算法；
50.通过arm内核实现负载特性分析、速度曲线分析、过程控制和保护，读取存储在非易失性存储器中的配置数据和保存关键变量；
51.flash fpga芯片的输入端设置有存储器、气压传感器、温度传感器、电流电压监测adc采样和安装于电机208的热敏电阻采样器；
52.动量轮系统对外的接口包含互为备份的cana、canb、rs422a和rs422b，可与星务进行双向数据通信，内部留有jtag接口，实现fpga和arm核的程序下载及调试
53.电机208、连接轴210和惯量盘211组成飞轮结构，飞轮的输出端连接有电流采样adc、霍尔采样adc，飞轮的输入端连接有集成驱动器，飞轮设置有四个，分别为飞轮x、飞轮y、飞轮z和飞轮r；
54.flash fpga芯片通过集成驱动控制飞轮的旋转，并通过电流采样adc、霍尔采样adc接收飞轮数据。
55.根据质量连续分布刚体的转动惯量计算公式根据质量连续分布刚体的转动惯量计算公式可知，采用密度较大的黄铜加工惯量盘211，并采取中间镂空的结构，使惯量盘211较大质量集中在边缘位置，达到较大惯量，进而实现最大角动量大于0.2nms@6000rpm。
56.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.适用于微小卫星的多轴动量轮系统，包括壳体(1)，其特征在于：所述壳体(1)包括上盖(101)和底壳(102)；上盖(101)的底端通过螺钉连接有底壳(102)；所述底壳(102)的内侧安装有惯量盘机构(2)，所述惯量盘机构(2)包括固定凸台(201)、固定底板(202)、竖直侧板(203)、斜侧板(204)、安装卡槽(205)、固定孔(206)、筋板(207)、电机(208)、安装孔(209)、连接轴(210)和惯量盘(211)；所述底壳(102)的内侧顶部安装有四个固定凸台(201)，所述固定凸台(201)的顶端通过螺钉连接有固定底板(202)，所述固定底板(202)顶端边部安装有四块竖直侧板(203)，相邻所述竖直侧板(203)的顶端安装有斜侧板(204)，所述竖直侧板(203)、斜侧板(204)和固定底板(202)的中部均开设有安装卡槽(205)，所述竖直侧板(203)、斜侧板(204)和固定底板(202)的中部对应安装卡槽(205)位置处开设有固定孔(206)，所述竖直侧板(203)中部安装有筋板(207)，所述安装卡槽(205)的内侧安装有电机(208)，所述电机(208)一端边部等角度开设有安装孔(209)，所述电机(208)的一端部中部安装有连接轴(210)，所述连接轴(210)一端安装有惯量盘(211)。2.根据权利要求1所述的适用于微小卫星的多轴动量轮系统，其特征在于，所述固定底板(202)的四个拐角位置处均开设有固定圆孔，螺钉穿过固定圆孔与固定凸台(201)拧紧；所述电机(208)一端的固定孔(206)与安装孔(209)对齐。3.根据权利要求1所述的适用于微小卫星的多轴动量轮系统，其特征在于，所述固定底板(202)顶端的四块竖直侧板(203)侧边依次相连，在其中一个连接位置处安装斜侧板(204)；所述惯量盘(211)的中部镂空，惯量盘(211)的材质为黄铜。4.根据权利要求1所述的适用于微小卫星的多轴动量轮系统，其特征在于，所述安装卡槽(205)开设有四个，一个安装卡槽(205)开设于斜侧板(204)中部，一个安装卡槽(205)开设于固定底板(202)中部，剩余两个安装卡槽(205)开设于远离斜侧板(204)的竖直侧板(203)中部。5.根据权利要求1所述的适用于微小卫星的多轴动量轮系统，其特征在于，所述底壳(102)的内侧安装有控制机构(3)，所述控制机构(3)包括固定柱(301)、垫块(302)、导热硅胶块(303)、pcb板(304)和电源接(305)所述底壳(102)的内侧安装有固定柱(301)，所述底壳(102)的顶端中部安装有垫块(302)，所述底壳(102)的顶端安装有导热硅胶块(303)，所述固定柱(301)的顶端通过螺钉连接有pcb板(304)，所述pcb板(304)的顶部安装有电源接(305)。6.根据权利要求5所述的适用于微小卫星的多轴动量轮系统，其特征在于，所述底壳(102)的侧端对应电源接(305)位置处开设有放置孔，所述电源接(305)卡接于放置孔内部；所述导热硅胶块(303)与pcb板(304)底端接触；所述电机(208)的电源输入端与pcb板(304)的电源输出端连接。7.根据权利要求5所述的适用于微小卫星的多轴动量轮系统，其特征在于，所述pcb板(304)的控制核心为flash fpga芯片，flash fpga芯片带有arm内核；通过flash fpga芯片实现包括磁场定向控制、速度控制、电流控制、速度解算、位置解算的惯量盘控制算法；
通过arm内核实现负载特性分析、速度曲线分析、过程控制和保护，读取存储在非易失性存储器中的配置数据和保存关键变量。8.根据权利要求7所述的适用于微小卫星的多轴动量轮系统，其特征在于，所述flash fpga芯片的输入端设置有存储器、气压传感器、温度传感器、电流电压监测adc采样和安装于电机208的热敏采样电阻；动量轮系统对外的接口包含互为备份的cana、canb、rs422a和rs422b，可与星务进行双向数据通信，内部留有jtag接口，实现fpga和arm核的程序下载及调试。9.根据权利要求7所述的适用于微小卫星的多轴动量轮系统，其特征在于，所述电机(208)、连接轴(210)和惯量盘(211)组成飞轮结构，飞轮的输出端连接有电流采样adc、霍尔采样adc，飞轮的输入端连接有集成驱动器；flash fpga芯片通过集成驱动器控制飞轮的旋转，并通过电流采样adc、霍尔采样adc接收飞轮电流及转速、角度等数据。

技术总结
本发明公开了适用于微小卫星的多轴动量轮系统，包括壳体，所述壳体包括上盖和底壳，上盖的底端通过螺钉连接有底壳，所述底壳的内侧顶部安装有四个固定凸台，所述固定凸台的顶端通过螺钉连接有固定底板，所述固定底板顶端边部安装有四块竖直侧板，相邻所述竖直侧板的顶端安装有斜侧板，所述竖直侧板、斜侧板和固定底板的中部均开设有安装卡槽，本发明通过设置固定凸台、固定底板、竖直侧板、斜侧板、安装卡槽、固定孔、筋板、电机、安装孔、连接轴和惯量，同时设置多个飞轮结构，相较于单个飞轮集成度更高，体积小，质量轻，保证了各轴夹角精度，便于后续姿态控制。于后续姿态控制。于后续姿态控制。


技术研发人员：郁武龙 庄恒佳 朴成勇 廖振华 周伟伟 王悦虹
受保护的技术使用者：地卫二空间技术（杭州）有限公司
技术研发日：2022.12.14
技术公布日：2023/4/17