星上定标机构可靠性测试系统设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 星上定标机构可靠性测试系统设计 摘要：针对一种航天遥感光谱仪 定标机构的可靠性测试，设计了一套操 作简单、使用方便的控制系统，可以自 动驱动定标机构电机进行测试，不但能 完整记录次数、电机步数、定标机构温 度等关键参数，而且可以识别定标机构 的异常状态并中止试验。实践证明该系 统可以很好地满足测试要求，且自动化 程度高，方便设计人员发现问题并进行 改进，提高工作效率。 中国论文网 /8/view-12746361.htm 关键词：光谱仪；定标机构；可 靠性 中图分类号：TP23 文献标识码： A 文章编号： 1009-3044（2015）31- -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 0196-03 The Design of Onboard Calibration Mechanism Reliability Testing System LI Zhe， LIU Dong-bin， LI Wen-Xian （Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China） Abstract： Aimed at a space remote sensing spectrometercalibrationmechanism reliability test， a control system which can be operated easily and used conveniently is designed for automatic test. It can not only save thekeyparameters， such ascycles， motor steps， temperature of the calibrationmechanism and so on， but also can identifythe abnormalstatus and stop the test. Theexperimental results show that the system can meetrequirements of the test. -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 The system has the advantage ofhigh automation level， can help thedesigner to find and solve the problems efficiently. Key words： spectrometer； calibration mechanism； reliability 1 概述 目前，航天遥感光谱仪被广泛应 用于资源勘探、环境监测、大气成分分 析、农作物估产、灾害预警等相关领域。 由于空间环境恶劣以及随着时间的推移， 探测器及光学系统的性能会持续下降， 而光谱仪的数据准确性会直接影响分析 的结果，所以专门设计了一套带有漫反 射板的可伸缩对日定标机构，在必要时 进行在轨定标以确保光谱仪数据的准确 性12。 星上对日定标时，机构展开漫反 射板至光谱仪镜头前，将太阳光反射至 光谱仪中3，对地工作时，机构收回漫 反射板，而在航天工程中，对活动部件 的可靠性要求很高，机构展开失败会导 致不能定标，机构收回失败则会导致光 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 谱仪被遮挡不能完成观测任务。故本文 为定标机构的可靠性试验而设计了一套 控制系统，并对测试结果进行了分析， 进而帮助改进定标机构的设计。 2 定标机构 定标机构由支架、漫反射板驱动 机构、漫反射板保护盖驱动机构、漫反 射板、漫反射板保护盖、霍尔传感器、 行程开关、锁紧释放电磁铁等部件组成， 漫反射板驱动机构由步进电机、谐波减 速器、主轴、轴承、齿轮齿条及导轨组 成，如图 1 所示。定标机构的漫反射板 由步进电机驱动进行打开和关闭操作， 并通过霍尔传感器和行程开关来反馈打 开及关闭的状态。 图 1 定标机构 3 测试系统设计 测试系统主要完成控制步进电机 进行打开、关闭操作，霍尔元件及行程 开关状态、温度、电压等参数的采集， 并根据参数判断当前的机构状态，自动 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 执行测试或中止测试。整个测试系统由 电源、测试控制电箱和上位机组成，如 图 2 所示。 图 2 测试系统框图 3.1 测试控制电箱设计 测试控制电箱中核心器件为 Xilinx 公司的 FPGA-XC3S400，并通过 VHDL 硬件描述语言实现逻辑电路功能。 定标机构在展开端安装了两个霍尔元件 和一个行程开关，展开霍尔 2 的位置高 于展开霍尔 1，展开行程开关为机械限 位位置是最高端；收回段也安装了两个 霍尔元件和一个行程开关，收回霍尔 2 的位置低于收回霍尔 1，收回行程开关 为机械限位位置是最低端。霍尔元件和 行程开关的接到由 5V 电压到地的 2k 与 3k的中间一端并与 FPGA 的 IO 相 连，无效时为 3V，IO 端为高，有效时 为 0V，IO 端为低。电压定标机构所使 用的电机为步进电机，控制方式为四相 八拍，使用 1KHz 的工作频率。电机控 制指令包括 3 个字节，首字节代表方向， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 16 进制的“33”代表展开方向，16 进制 的“CC”代表关闭方向，后两个字节代表 电机步数，因定标机构的行程最大为 29000 步，所以将最大步数限制为 30000 步。FPGA 接收到指令后，首先 判断方向，如果不是“33”或“CC”则不执 行，如果超过 30000 步则最大走行 3000 步，如果指令正确，则根据方向及步数 按顺序发出四相八拍的时序信号。监测 关键电压信号 D+5V，A+5V，+12V，- 12V，以及机构上的 4 个温度值，使用 的是 AD7890 芯片，此芯片有 8 个输入 端，1 个输出端，通过地址从 0 到 7 依 次读出 8 个输入端的电压信号，设定每 0.1s 更换一次地址。测试控制电箱使用 RS-422 通信接收计算机发出的控制指 令，FPGA 进行串并转换，识别命令， 执行命令，并将定标机构相关的状态参 数进行并串转换，上传至计算机，发送 芯片为 DS26LV31，接收芯片为 DS26LV32。 图 3 电箱硬件框 图 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 3.2 上位机软件设计 上位机使用的是 USB 转 RS-422 接口，上位机软件通过此接口与测试控 制电箱实现通信，发送控制指令，并接 收定标机构的状态参数，上位机软件如 图 4 所示。上位机发送的命令主要有两 条：1.电机切换指令，电机驱动有主备 份可选；闭环控制响应霍尔及行程状态， 开环则不响应；机构打开判据可以选择 打开霍尔 1、打开霍尔 2 或打开行程， 机构关闭判据可以选择关闭霍尔 1、关 闭霍尔 2 或关闭行程。2 定标机构控制 设置指令，方向“33”为打开， “CC”为关 闭；电机步数最大设置为 30000 步。上 位机的定标机构老炼采用定时器设置， 因定标机构从两个限位端的最远距离电 机 29000 步可以走完，且最大设置为 30000 步，电机工作在 1kHz，所以设置 间隔 32 秒发送打开和关闭的指令，下 面的循环次数记录机构打开关闭的循环 次数，设置好后可以自动执行测试。上 位机通过每秒发送的轮询指令从测试控 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 制电箱得到各种状态参数，如电压、温 度、霍尔元件及行程开关的状态、电机 步数、FPGA 判断到的定标机构工作状 态，方便测试人员进行判读。 图 4 上位机软件 3.3 异常状态的识别及处理 当定标机构发生卡滞的时候，电 机会丢步，即 FPGA 发出 30000 步之后， 仍没有任何霍尔元件或行程开关有效， 则 FPGA 会进行识别，返回打开失败或 关闭失败标识，此时上位机会识别这个 状态标识，终止定标机构的跑合循环。 如定标机构变形，即展开时先经过霍尔 1，而没有触发霍尔 1 有效，在霍尔 2 停住或触发行程开关才停住，FPGA 也 会进行识别，返回异常标识，此时上位 机会也会进行识别，终止循环。 4 跑合测试试验情况 为考察定标机构在太空环境下的 环境适应性，试验在真空罐中进行，首 先进行三次高低温循环试验，温度范围 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 从-25 50，此后需要在 5的温度 下跑合 10000 次，试验情况如图 5 所示。 定标机构放入真空罐，测试控制电箱通 过穿罐的电缆与定标机构相连，电源、 上位机摆分别通过电缆连接到测试控制 电箱，左侧的笔记本记录真空罐内的温 度，如图 5 所示。 图 5 试验过程中，在低温-25时， 发生了机构卡滞，运行 30000 步之后， 没有霍尔开关或行程开关为有效状态， 且通过窗口玻璃观察确实没有展开到位， 后经过排查发现真空润滑脂在低温时发 生凝固，经过更换润滑脂后故障排除。 高温 50时，直到关闭霍尔 2 有效时， 关闭霍尔 1 均一直无效，后发现高温时 结构产生一定变形造成磁钢与霍尔元件 间距过大而无效，后经重新装配解决问 题。此后的在 5下跑合 10000 次没有 发生任何问题，每次打开、关闭定标机 构的步数