星上定標(biāo)機(jī)構(gòu)可靠性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李哲 劉棟斌 李聞先

摘要：針對(duì)一種航天遙感光譜儀定標(biāo)機(jī)構(gòu)的可靠性測(cè)試，設(shè)計(jì)了一套操作簡(jiǎn)單、使用方便的控制系統(tǒng)，可以自動(dòng)驅(qū)動(dòng)定標(biāo)機(jī)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，不但能完整記錄次數(shù)、電機(jī)步數(shù)、定標(biāo)機(jī)構(gòu)溫度等關(guān)鍵參數(shù)，而且可以識(shí)別定標(biāo)機(jī)構(gòu)的異常狀態(tài)并中止試驗(yàn)。實(shí)踐證明該系統(tǒng)可以很好地滿足測(cè)試要求，且自動(dòng)化程度高，方便設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)，提高工作效率。

關(guān)鍵詞：光譜儀；定標(biāo)機(jī)構(gòu)；可靠性

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）31-0196-03

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. 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，航天遙感光譜儀被廣泛應(yīng)用于資源勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣成分分析、農(nóng)作物估產(chǎn)、災(zāi)害預(yù)警等相關(guān)領(lǐng)域。由于空間環(huán)境惡劣以及隨著時(shí)間的推移，探測(cè)器及光學(xué)系統(tǒng)的性能會(huì)持續(xù)下降，而光譜儀的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性會(huì)直接影響分析的結(jié)果，所以專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一套帶有漫反射板的可伸縮對(duì)日定標(biāo)機(jī)構(gòu)，在必要時(shí)進(jìn)行在軌定標(biāo)以確保光譜儀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[1][2]。

星上對(duì)日定標(biāo)時(shí)，機(jī)構(gòu)展開(kāi)漫反射板至光譜儀鏡頭前，將太陽(yáng)光反射至光譜儀中[3]，對(duì)地工作時(shí)，機(jī)構(gòu)收回漫反射板，而在航天工程中，對(duì)活動(dòng)部件的可靠性要求很高，機(jī)構(gòu)展開(kāi)失敗會(huì)導(dǎo)致不能定標(biāo)，機(jī)構(gòu)收回失敗則會(huì)導(dǎo)致光譜儀被遮擋不能完成觀測(cè)任務(wù)。故本文為定標(biāo)機(jī)構(gòu)的可靠性試驗(yàn)而設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，進(jìn)而幫助改進(jìn)定標(biāo)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2定標(biāo)機(jī)構(gòu)

定標(biāo)機(jī)構(gòu)由支架、漫反射板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、漫反射板保護(hù)蓋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、漫反射板、漫反射板保護(hù)蓋、霍爾傳感器、行程開(kāi)關(guān)、鎖緊釋放電磁鐵等部件組成，漫反射板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、諧波減速器、主軸、軸承、齒輪齒條及導(dǎo)軌組成，如圖1所示。定標(biāo)機(jī)構(gòu)的漫反射板由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行打開(kāi)和關(guān)閉操作，并通過(guò)霍爾傳感器和行程開(kāi)關(guān)來(lái)反饋打開(kāi)及關(guān)閉的狀態(tài)。

圖1 定標(biāo)機(jī)構(gòu)

3測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)主要完成控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行打開(kāi)、關(guān)閉操作，霍爾元件及行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)、溫度、電壓等參數(shù)的采集，并根據(jù)參數(shù)判斷當(dāng)前的機(jī)構(gòu)狀態(tài)，自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試或中止測(cè)試。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由電源、測(cè)試控制電箱和上位機(jī)組成，如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)框圖

3.1測(cè)試控制電箱設(shè)計(jì)

測(cè)試控制電箱中核心器件為Xilinx公司的FPGA-XC3S400，并通過(guò)VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)邏輯電路功能。定標(biāo)機(jī)構(gòu)在展開(kāi)端安裝了兩個(gè)霍爾元件和一個(gè)行程開(kāi)關(guān)，展開(kāi)霍爾2的位置高于展開(kāi)霍爾1，展開(kāi)行程開(kāi)關(guān)為機(jī)械限位位置是最高端；收回段也安裝了兩個(gè)霍爾元件和一個(gè)行程開(kāi)關(guān)，收回霍爾2的位置低于收回霍爾1，收回行程開(kāi)關(guān)為機(jī)械限位位置是最低端。霍爾元件和行程開(kāi)關(guān)的接到由5V電壓到地的2kΩ與3kΩ的中間一端并與FPGA的IO相連，無(wú)效時(shí)為3V，IO端為高，有效時(shí)為0V，IO端為低。電壓定標(biāo)機(jī)構(gòu)所使用的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，控制方式為四相八拍，使用1KHz的工作頻率。電機(jī)控制指令包括3個(gè)字節(jié)，首字節(jié)代表方向，16進(jìn)制的“33”代表展開(kāi)方向，16進(jìn)制的“CC”代表關(guān)閉方向，后兩個(gè)字節(jié)代表電機(jī)步數(shù)，因定標(biāo)機(jī)構(gòu)的行程最大為29000步，所以將最大步數(shù)限制為30000步。FPGA接收到指令后，首先判斷方向，如果不是“33”或“CC”則不執(zhí)行，如果超過(guò)30000步則最大走行3000步，如果指令正確，則根據(jù)方向及步數(shù)按順序發(fā)出四相八拍的時(shí)序信號(hào)。監(jiān)測(cè)關(guān)鍵電壓信號(hào)D+5V，A+5V，+12V，-12V，以及機(jī)構(gòu)上的4個(gè)溫度值，使用的是AD7890芯片，此芯片有8個(gè)輸入端，1個(gè)輸出端，通過(guò)地址從0到7依次讀出8個(gè)輸入端的電壓信號(hào)，設(shè)定每0.1s更換一次地址。測(cè)試控制電箱使用RS-422通信接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，F(xiàn)PGA進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，識(shí)別命令，執(zhí)行命令，并將定標(biāo)機(jī)構(gòu)相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，上傳至計(jì)算機(jī)，發(fā)送芯片為DS26LV31，接收芯片為DS26LV32。

圖3 電箱硬件框圖

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)使用的是USB轉(zhuǎn)RS-422接口，上位機(jī)軟件通過(guò)此接口與測(cè)試控制電箱實(shí)現(xiàn)通信，發(fā)送控制指令，并接收定標(biāo)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)，上位機(jī)軟件如圖4所示。上位機(jī)發(fā)送的命令主要有兩條：1.電機(jī)切換指令，電機(jī)驅(qū)動(dòng)有主備份可選；閉環(huán)控制響應(yīng)霍爾及行程狀態(tài)，開(kāi)環(huán)則不響應(yīng)；機(jī)構(gòu)打開(kāi)判據(jù)可以選擇打開(kāi)霍爾1、打開(kāi)霍爾2或打開(kāi)行程，機(jī)構(gòu)關(guān)閉判據(jù)可以選擇關(guān)閉霍爾1、關(guān)閉霍爾2或關(guān)閉行程。2定標(biāo)機(jī)構(gòu)控制設(shè)置指令，方向“33”為打開(kāi)，“CC”為關(guān)閉；電機(jī)步數(shù)最大設(shè)置為30000步。上位機(jī)的定標(biāo)機(jī)構(gòu)老煉采用定時(shí)器設(shè)置，因定標(biāo)機(jī)構(gòu)從兩個(gè)限位端的最遠(yuǎn)距離電機(jī)29000步可以走完，且最大設(shè)置為30000步，電機(jī)工作在1kHz，所以設(shè)置間隔32秒發(fā)送打開(kāi)和關(guān)閉的指令，下面的循環(huán)次數(shù)記錄機(jī)構(gòu)打開(kāi)關(guān)閉的循環(huán)次數(shù)，設(shè)置好后可以自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試。上位機(jī)通過(guò)每秒發(fā)送的輪詢指令從測(cè)試控制電箱得到各種狀態(tài)參數(shù)，如電壓、溫度、霍爾元件及行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)、電機(jī)步數(shù)、FPGA判斷到的定標(biāo)機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)，方便測(cè)試人員進(jìn)行判讀。

圖4 上位機(jī)軟件

3.3異常狀態(tài)的識(shí)別及處理

當(dāng)定標(biāo)機(jī)構(gòu)發(fā)生卡滯的時(shí)候，電機(jī)會(huì)丟步，即FPGA發(fā)出30000步之后，仍沒(méi)有任何霍爾元件或行程開(kāi)關(guān)有效，則FPGA會(huì)進(jìn)行識(shí)別，返回打開(kāi)失敗或關(guān)閉失敗標(biāo)識(shí)，此時(shí)上位機(jī)會(huì)識(shí)別這個(gè)狀態(tài)標(biāo)識(shí)，終止定標(biāo)機(jī)構(gòu)的跑合循環(huán)。如定標(biāo)機(jī)構(gòu)變形，即展開(kāi)時(shí)先經(jīng)過(guò)霍爾1，而沒(méi)有觸發(fā)霍爾1有效，在霍爾2停住或觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)才停住，F(xiàn)PGA也會(huì)進(jìn)行識(shí)別，返回異常標(biāo)識(shí)，此時(shí)上位機(jī)會(huì)也會(huì)進(jìn)行識(shí)別，終止循環(huán)。

4跑合測(cè)試試驗(yàn)情況

為考察定標(biāo)機(jī)構(gòu)在太空環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性，試驗(yàn)在真空罐中進(jìn)行，首先進(jìn)行三次高低溫循環(huán)試驗(yàn)，溫度范圍從-25℃～50℃，此后需要在5℃的溫度下跑合10000次，試驗(yàn)情況如圖5所示。定標(biāo)機(jī)構(gòu)放入真空罐，測(cè)試控制電箱通過(guò)穿罐的電纜與定標(biāo)機(jī)構(gòu)相連，電源、上位機(jī)擺分別通過(guò)電纜連接到測(cè)試控制電箱，左側(cè)的筆記本記錄真空罐內(nèi)的溫度，如圖5所示。

圖5

試驗(yàn)過(guò)程中，在低溫-25℃時(shí)，發(fā)生了機(jī)構(gòu)卡滯，運(yùn)行30000步之后，沒(méi)有霍爾開(kāi)關(guān)或行程開(kāi)關(guān)為有效狀態(tài)，且通過(guò)窗口玻璃觀察確實(shí)沒(méi)有展開(kāi)到位，后經(jīng)過(guò)排查發(fā)現(xiàn)真空潤(rùn)滑脂在低溫時(shí)發(fā)生凝固，經(jīng)過(guò)更換潤(rùn)滑脂后故障排除。高溫50℃時(shí)，直到關(guān)閉霍爾2有效時(shí)，關(guān)閉霍爾1均一直無(wú)效，后發(fā)現(xiàn)高溫時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定變形造成磁鋼與霍爾元件間距過(guò)大而無(wú)效，后經(jīng)重新裝配解決問(wèn)題。此后的在5℃下跑合10000次沒(méi)有發(fā)生任何問(wèn)題，每次打開(kāi)、關(guān)閉定標(biāo)機(jī)構(gòu)的步數(shù)均在26240步左右，相差不超過(guò)10步。真空試驗(yàn)驗(yàn)證了星上定標(biāo)機(jī)構(gòu)的可靠性。

5總結(jié)

本文針對(duì)星上定標(biāo)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一套測(cè)試系統(tǒng)，可自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試，能完整記錄跑合次數(shù)、電機(jī)步數(shù)、定標(biāo)機(jī)構(gòu)溫度等關(guān)鍵參數(shù)，并可識(shí)別異常情況并終止測(cè)試。通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證了星上定標(biāo)機(jī)構(gòu)的可靠性，其自動(dòng)化程度高，方便設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，可提高工作效率。

參考文獻(xiàn)：

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