一种具有主动温控功能的空间机械臂关节控制器

摘要

一种具有主动温控功能的空间机械臂关节控制器，并且特别地涉及一种用于中短期在轨操作空间机械臂的关节控制器，该控制器具有主动温度辨识和自主加热能力,极大的提高了在空间恶劣环境下产品的生存能力。

权利要求

1.一种具有主动温控功能的空间机械臂关节控制器，其主要由以下几个部分组成，电源变换电路、DSP及其外围电路、双冗余CAN总线接口电路、旋变激磁解码电路、HALL解码电路、线位移供电采集电路、电流传感及采集电路、温度传感及采集电路、力矩传感采集电路、信号变换及调理电路、电机驱动逆变器；

其中该控制器的热防护装置由依次叠加的轮廓相同的金属热控板(2)、上电加热片(3)、控制板(4)、下电加热片(3’)组成，两片加热片从上下两个方向为控制板上的器件加热，并且为保护控制板上的重要部件，在每个部件上设置形状与该部件相同的导热绝缘片，以增强该部件与金属热控板之间的热交换能力。

2.根据权利要求1所述的一种具有主动温控功能的空间机械臂关节控制器，其中所述DSP及其外围电路是伺服驱动器的核心元件，用于执行控制算法。

3.根据权利要求1所述的一种具有主动温控功能的空间机械臂关节控制器，其中所述CAN总线接口电路设计用来完成关节控制器与上位机之间的CAN通信，为保证通讯功能可靠性，采用了两个CAN通信的冗余设计。

4.根据权利要求1所述的一种具有主动温控功能的空间机械臂关节控制器，其中为考虑到驱动部分对控制部分和信号采集部分的影响，采取磁隔离的方式，并且在电源供电端对驱动部分对控制部分采用了独立的两组供电线路，保证功率电路电流、电压的变化以及功率器件的高频开关动作不会干扰到控制单元。

5.根据权利要求1所述的一种具有主动温控功能的空间机械臂关节控制器，其中该关节控制器的热防护设计主要由温度检测、温控决策和可控加热器三部分组成。

说明书

一种具有主动温控功能的空间机械臂关节控制器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种具有主动温控功能的空间机械臂关节控制器，并且特别地涉及一种用于中短期在轨操作空间机械臂的关节控制器，该控制器具有主动温度辨识和自主加热能力,极大的提高了在空间恶劣环境下产品的生存能力。

背景技术

[0002] 随着人类探索的脚步向着更为深远的太空迈进，以自动化和智能化为代表的无人系统正在代替人类成为深空探测的排头兵，因空间环境非常恶劣，高低温、空间辐射、高真空度，所以结构紧凑、环境适应性强、伺服性能优良的关节伺服控制器直接决定了空间应用机械臂作业能力的强弱。

[0003] 关节控制器作为空间机械臂的重要组成部分，向上与运动控制器数据交互并解析控制指令，向下采集关节传感信息、进行控制率解算并驱动关节伺服机构，是空间机械臂模块化关节的重要控制和驱动组件。

[0004] 在空间的特殊环境下经常发生较大的温度变化，机械臂在温差较大的环境中操作，机械部件很容易由于温度的巨大变化而失效。因此为在太空环境下操作机械臂，需要对机械臂的关键部件进行温度调节保护。

发明内容

[0005] 本发明的技术解决的问题是：设计了一款适合中短期在轨操作机械臂的关节控制器，能够适应恶劣的空间环境，通过环境温度的传感与构建，获得关节内部的综合温度信息，并以此为依据自主决策进行加热，防止温度过低导致设备失效。当温度过高时，采取被动热防护技术使得关节内部温度控制在合理范围内，防止设备高温失效。

[0006] 本发明的技术特点如下：

[0007] 1.提出了一种适用于地球近地轨道应用的主动温控装置的设计方案。

[0008] 2.在主动温控装置的基础上，提出了一种无人介入自主温度管理方法。从而能够最大限度的保障关节内部环境温度处于良好的范围，增强其生存能力。

[0009] 3.发明了一种集成了上述主动温控装置的串联机械臂关节控制器，其能够最大限度的适应空间轨道恶劣的高低温环境，延长系统的在轨服务能力。

[0010] 此技术方案与现有国内、外方案相比，在综合指标上会有一定的提高，且成本相对较低，基础技术较成熟，易实现。

附图说明

[0011] 现在将结合附图对本发明进行描述，其中：

[0012] 图1关节控制器组成框图

[0013] 图2机械臂关节控制器结构整体

[0014] 图3机械臂关节控制器结构分解图

[0015] 图4机械臂关节控制器散热原理图

[0016] 图5机械臂关节控制器加热原理图

具体实施方式

[0017] 关节控制器主要由以下几个部分组成，如附图1所示：电源变换电路、DSP及其外围电路、双冗余CAN总线接口电路、旋变激磁解码电路、HALL解码电路、线位移供电采集电路、电流传感及采集电路、温度传感及采集电路、力矩传感采集电路、信号变换及调理电路、电机驱动逆变器。

[0018] 其中DSP及其外围电路是伺服驱动器的核心元件，用于执行控制算法，为保证该器件正常工作，设计有上电复位电路和晶振电路；CAN总线接口电路设计用来完成关节控制器与上位机之间的CAN通信，为保证通讯功能可靠性，采用了两个CAN通信的冗余设计，如果一条总线出现故障，可以自动切换到另一总线；设计了由解码芯片及其外围运算放大器调理电路构成的R/D转换电路；电源变换电路设计采用了28V/+5V、28V/+15V等高效率电源模块；以及信号调理电路、电流和电压采样电路和功率驱动电路等。为考虑到驱动部分对控制部分和信号采集部分的影响，采取了磁隔离的方式，将控制地和功率地隔离开来，有效减少功率部分噪声对控制电路的影响。并且在电源供电端对驱动部分对控制部分采用了独立的两组供电线路。保证了功率电路电流、电压的变化以及功率器件的高频开关动作不会干扰到控制单元。

[0019] 本申请对关节控制器的热防护设计主要由温度检测、温控决策和可控加热器三部分组成。如附图2的关节控制器整体结构示意图所示。温度传感器采用的是MAXIM18B20芯片式温度传感器，4支传感器部署在关节内部的不同位置，检测采集控制器关键器件和系统环境温度，通过信息处理和数据融合，由关节控制器重构出关节温度场信息，以作为温度决策的输入条件，当得出主动加热的决策时，利用加热片给温控板加热，保持控制器温度不至于太低。

[0020] 温度决策层(即处理器CPU)利用温度场信息评价当前关节控制器所处的空间环境，以做出是否进行主动加热控制，以及加热控制强度等的决策结论。

[0021] 可控加热器根具温度决策层的计算结论，进行部署在关节内的3个加热器的加热输出控制驱动。与此同时，温度检测层实时传感、评价加热效能，并反馈决策层，从而实现自主温度控制的目的。

[0022] 如附图3所示，环形机械管壁1和圆形机械臂底座形成一个空间用于放置所述机械臂关节控制器。所述关节控制器依次叠加有轮廓相同的金属热控板2、上电加热片3、控制板4、下电加热片3’为保护控制板上的重要部件，在每个部件上设置形状与该部件相同的导热绝缘片，以防止部件受到加热影响。

[0023] 附图4、5示出了机械臂关节控制器的散热原理图和加热原理图，箭头所示为热流传输的通路，即热能流动的方向。其中金属热控板用于疏导控制器的热量，并能将加热片的热量传递给控制器。同时，在关节控制器上设置有导热绝缘垫。当外界温度或关节温度较高时，关节控制器作出决策对其进行散热。此时发热器件的热量经过电加热片向上传导，并进入和分散在金属热控板上，实现热量的发散。而当外界温度或关节温度较低需要加热时，发热器件进行发热，从而对控制板进行加热。