新型機電一體化微磁力矩器設計與實現

袁德虎，孫 俊，武海雷，沈國明，劉超鎮

（1.上海市空間智能控制技術重點實驗室，上海 201109；2.上海航天控制技術研究所，上海 201109）

0 引言

磁力矩器是現代微小衛星利用地磁場來實現姿態控制的主要執行部件，已發射的微小衛星中大約2/3 都裝有磁力矩器［1-4］。磁控經常作為微小衛星姿態控制的主控手段、備份手段和應急手段［5-8］。它不同于動量輪，沒有活動部件，可靠性高功耗低；相對于噴氣推力器而言，更適合長壽命工作，而且也不會對光學儀器造成污染［9-11］。

文獻［12-13］運用多目標優化設計的方法對空芯磁力矩器進行了設計，然而空芯式磁力矩器和磁棒式磁力矩器的結構組成差異較大，由于磁棒中磁芯材料的磁滯作用的影響，磁棒的控制算法比空心線圈要復雜，所以文獻中的設計與實現方法并不適合磁棒式磁力矩器。文獻［14］對磁棒式磁力矩器進行了優化設計，但是所設計的磁力矩器磁矩較小，僅適用于立方體納星，難以滿足微小衛星的需求。

本文結合某微小衛星平臺的應用需求，采用了機電一體化概念對微型磁力矩器進行了設計［15］；采用了單繞組線圈，對磁芯參數和線圈參數進行了最優設計，另外還設計了脈沖寬度調制（PWM）換向驅動電路；最后設計了一種簡單易行的磁矩測試方法，并對所研制的微型磁力矩器進行了測試，驗證了所提出的設計方案的合理性與有效性。

1 磁力矩器工作原理

磁力矩器是用來產生磁偶極矩，進行姿態和角動量控制，從而補償衛星殘余姿態偏差和減小環境干擾力矩所引起的姿態漂移，同樣，其也可以對動量交換系統進行卸載。磁力矩器的磁性線圈控制系統，是利用星體中磁線圈產生的磁矩與外界地磁場相互作用所得到的控制力矩來使衛星再定向，由于它們使用地球的天然磁場，因此在高軌道使用效率不高，而適用于低軌道的微小衛星。磁力矩器產生的磁矩矢量M與地磁場矢量B相互作用而產生控制力矩T，其關系為

常規的磁力矩器功能原理圖如圖1 所示。磁力矩器接收GNC 計算機提供的控制電流信號，該電流信號流入磁力矩器線圈，輸出與其成正比的磁矩，以達到控制磁矩的目的。磁力矩器正交安裝在衛星內部，通電后在地磁場作用下產生控制力矩，用于動量輪卸載和衛星姿態的磁控制。它由三根磁力矩器組成，一根沿俯仰軸（X軸）安裝，另兩根分別沿滾動軸（Y軸）和偏航軸（Z軸）安裝。在正常工作狀態下，X軸、Y軸和Z軸各有一個磁力矩器工作。

圖1 磁力矩器功能原理圖Fig.1 Schematic diagram of the function principle of the magnetorquer

2 機電一體化設計

傳統的磁力矩器是采用分離設計方式實現，其驅動控制電路板和磁力矩器的機械結構是獨立分開的，驅動控制電路板位于姿軌控計算機內（如圖1所示）。因此，作為磁力矩器功能單元，磁力矩器并非是獨立完整的。本文采用機電一體化設計理念，通過將驅動控制電路板內嵌于支架端面上，實現了磁力矩器結構和驅動電路的集成化和整體結構的小型化，同時實現了磁力矩器功能單元的獨立完整性。對衛星的研制而言，磁力矩器實際應用起來更加簡便，只需要PWM 控制信號即可，而不再要求上位機有驅動功能，這樣也減小了姿軌控計算機的設計復雜程度。

所研制的磁力矩器的實物圖如圖2 所示。

圖2 磁力矩器實物圖Fig.2 Physical picture of the magnetorquer

如圖3所示右視圖，它由單繞組線圈2、左支架1、右支架4、PWM 驅動控制電路5 和磁芯3 組成。不含PWM 驅動控制電路板的右視圖如圖4 所示，6 為引線孔，繞組的引線通過該孔與驅動控制電路板相連。圖4 的A-A剖面圖如圖5 所示。圖5 中：7為驅動控制電路板卡槽，PWM 驅動控制電路板內嵌于該槽內，并膠結固定在右支架上；8 為磁芯的卡槽，磁芯利用過盈配合與左右兩支架緊固聯接。驅動控制電路板的接插件采用低成本、小型化、輕量化的J30V2-9TJS-P2 型接插件，也有助于縮小體積，減少質量。

圖3 磁力矩器示意圖（含驅動控制電路板）Fig.3 Sketch map of the magnetorquer （with driving control circuit board）

圖4 右視圖（不含驅動控制電路板）Fig.4 Right side view（without control circuit board）

圖5 圖4 的A-A 剖面圖Fig.5 View of theA-A cross-section in Fig.4

3 多約束條件下的線圈參數和磁芯參數最優設計

以給定的磁力矩器的質量和功耗限制為約束條件，以磁矩M取得最大值為優化目標，根據磁矩、質量和功耗的數學模型對線圈參數進行最優設計，即

優化目標：

約束條件：

式中：M、m和P分別為磁力矩的磁矩、質量和功耗；mmax為磁力矩器所允許的最大質量；Pmax為磁力矩器所允許的最大功率。

式中：r為磁芯半徑；N為線圈匝數；i為線圈電流；U為供電電壓；γ1為磁芯密度；γ2為線圈密度；Rw為線圈半徑；a為繞線后磁力矩器半徑；l為磁芯長度；k1為與磁芯材料有關的參數，具體形式為

式中：μr為磁芯相對磁導率；Nd為退磁系數，

將已知具體參數帶入式（2）～式（6），以r、l、Rw、a為變量，采用窮舉法進行尋優，再結合漆包線導線的工程規格，確定最終參數見表1。

表1 磁力矩器參數Tab.1 Parameters of the magnetorquer

4 PWM 換向驅動控制電路設計

如圖6 所示，GNC 計算機產生PWM 控制信號輸出給H 橋電路，繼而驅動磁棒線圈輸出磁矩，同時可以完成磁棒線圈電流采集并進行遙測輸出。驅動電路采用數字電路的方式實現，它與外界通過數字接口進行數據交互，減少了線圈對外界電路的影響。而常規的電流幅度驅動控制方式，其模擬信號受磁棒線圈感性負載的影響較大。另外電流幅度控制電路由于要實現電壓放大，將會造成電路的效率不高（功率運放的效率不高，自身功耗較大），而且與GNC 計算機的接口相對較復雜。PWM 驅動電路則效率高、功耗低，而且與控制器接口簡單，控制更加簡便，通過調整PWM 波的占空比即可調節驅動電流的大小。由于采用了換向驅動控制設計，因而傳統的雙繞組就不再需要了，線圈采用單線連續繞制方式即可，這樣線圈的重量和體積則都減少了一半，也便于實現磁力矩器的小型化。

圖6 磁力矩器信息流程圖Fig.6 Information flow chart for the magnetorquer

H 橋芯片選用TI 公司的DRV8848 雙路電機驅動器。該芯片具有3 μA 低功耗睡眠模式，可將部分內部電路關斷，從而實現磁力矩器非工作狀態下極低的靜態電流和功耗。芯片管腳功能圖如圖7 所示。磁力矩器中電流控制接口與IN1 和IN2 相連，通過IN1 和IN2 的不同組合來控制線圈中的電流方向，通過IN1 或IN2 的PWM 波來控制線圈中電流的大小。IN1 和IN2 的邏輯組合見表2。

PWM 方波的頻率最好大于20 kHz，推薦使用50 kHz，最大250 kHz。按如圖8 所示的要求進行操作，控制時序推薦見表3。

電流采樣芯片選用Allegro 公司的ACS712 型電流傳感芯片。由于所設計的驅動電路有電流采集功能，因而可以實現磁力矩器的閉環控制，相對傳統的開環控制策略控制精度更高。

圖7 H 橋芯片DRV8848 管腳功能圖Fig.7 Pin function diagram of DRV8848 H-bridge chip

5 測試方法

圖8 控制時序圖Fig.8 Control sequence diagram

表2 PWM 控制邏輯組合Tab.2 PWM control logic combination

表3 控制時序Tab.3 Control time sequence

根據磁棒式磁力矩器所產生的磁場強度與磁矩之間的關系，設計了磁矩的測試方法。測試方案框圖如圖9 所示。GNC 計算機輸出PWM 控制信號給磁力矩器上的驅動板，電流表可以測得通過線圈的電流大小，利用高靈敏度磁通門磁力儀測量磁力矩器所產生的磁場強度H，結合磁力儀的探頭至磁力矩器中心點的距離R，可以得出磁力矩器在不同大小的通電電流時的磁矩為

實測時，探頭和磁力矩器需要水平放置在一條直線上。為了便于計算，R可以取0.585 m，0.5853=0.2。相對于傳統的近場分析法，該測試方法操作更加簡便，試驗成本更低。

圖9 磁矩測試原理圖Fig.9 Schematic diagram for magnetic torque test

6 測試結果

所研制的機電一體化微型磁力矩器已成功應用于某60 kg 的微小衛星。以下分別給出磁力矩器的電流換向能力測試和磁矩測試結果。

6.1 電流換向能力測試

測試結果見表4，由表4 可以看出，PWM 驅動控制下的磁力矩器的最大換向頻率為8 Hz，當頻率大于8 Hz 時線圈中的電流已不能進行換向。所以電路開關允許的最小時間不小于125 ms，即由正向變為反向時至少應該有125 ms 的無電流時間，否則會因電路中電流變化太快，造成磁棒（感性負載）產生的反電動勢過大，從而影響驅動電路的正常工作。

表4 電流換向能力測試Tab.4 Current direction variation ability tests

6.2 磁矩測試

按照第4 節中所述的測試方法對所研制的磁力矩器進行測試，測試時IN1 腳進行PWM 調制，IN2 一直拉低，可以得到正向磁矩。針對5、10、20和50 kHz 等不同的PWM 頻率進行測試，PWM 方波的占空比和輸出磁矩的關系如圖10 所示。

由圖10 可看出，當PWM 頻率f=50 kHz 時，占空比和磁矩關系曲線的線性度較好，具體測試數據見表5。表中可見：當占空比小于50%時，輸出磁矩變化很小；大于50%時，磁矩隨占空比呈線性關系增大；當占空比為100% 時，磁矩可達最大值1.718 A·m2。剩磁僅為0.002 A·m2。

圖10 占空比和磁矩的關系Fig.10 Relationship between the duty ratio and the magnetic torque

表5 PWM 頻率f=50kHz 時的測試數據Tab.5 Test data when the PWM frequencyf=50 kHz

7 結束語

磁力矩器是現代微小衛星姿態控制系統的主要執行機構。本文針對現代微小衛星的需求，采用機電一體化設計理念，以及單繞組加PWM 的驅動控制方式實現了磁力矩器的小型化和集成化；對線圈參數和磁芯參數進行了最優設計，最后設計了一種磁矩測試方法。實際測試結果表明，所研制的微型磁力矩器具有輸出磁矩大、輸出磁矩線性度好、線性工作范圍寬、剩磁小、功耗低、重量輕、體積小、控制方法簡便等優點，因此非常適合于微小衛星的姿態控制。本研究可為未來微小衛星姿態控制執行機構的發展提供了新的思路和實現途徑。