动量轮模拟器的设计

引言

在卫星姿态和轨道控制计算机(AOCC)分系统的设计和室内联调阶段，为方便系统调试，需设计动量轮模拟器，模拟执行机构动量轮所决定的卫星姿态和控制效果，代替真实部件进行分系统的开环和闭环试验。

动量轮模拟器的系统结构和功能

本模拟器的核心处理芯片采用TI的TMS320VC33(以下简称VC33)，该芯片是一款高性能、高性价比的32位浮点DSP|0">DSP处理器。系统结构如图1所示。

动量轮模拟器是卫星控制系统地面测试设备的一部分，主要完成对来自AOCC的控制指令和控制电压的识别，然后按照控制指令和控制电压模拟动量轮的转动情况，向卫星和地检设备输出转速脉冲、工作状态、转动状态和电枢电流模拟信号。

动量轮模拟器具有开关量输入／输出接口和模拟量输入／输出接口，并配有触摸显示液晶屏，用于设备自检或运行时，控制和显示动量轮模拟器的开关信号状态和角速度。此外，在触摸显示液晶屏上可以选择模拟两种不同转动惯量的动量轮。

动量轮模拟器的硬件设计

DSP的选型：本系统模拟某卫星4个动量轮的运行，主要工作为：采集4路彼此独立的差分控制电压，按轮角速度公式ω=ω+Ut×K×t／J(ω为动量轮角速度，Ut为动量轮输入控制电压，t为动量轮运算周期，K为比例常数，J为动量轮转动惯量)计算后，以24个脉冲／转输出转速频率，并调理成地检设备要求的幅值。这里的计算需要选择高速且支持浮点运算的处理器。

VC33是32位浮点处理器，其功能结构与C31相似，但由于在时钟、电源、存储区设计上做了优化，其工作速度更快(每条指令执行只需13ns)、功耗更小，并集成了较大的片内存储区。另外，VC33价格较低(约120元，比TI公司的6X系列的同性能浮点DSP低很多)。VC33配以CPLD EPM7128，做以逻辑控制方案的综合指标较为理想。

动量轮控制电压的采集：14位ADC芯片MAX125拥有A、B两组信号输入端，每组4个输入通道，内置4路同步采样保持器。在实际应用中分别采集来自主、备AOCC的各4路控制电压，将其经过阻抗匹配后，连接到MAX125的输入端，转换结果送给DSP处理。CPLD提供ADC的控制信号，在逻辑内部实现对ADC启动信号、转换通道的选择。

电枢电流输出：上述DSP计算结果并行传送给逻辑芯片EPM7128，DSP通过逻辑芯片实现对DAC7615的片选、时钟、数据和启动转换的控制；DAC7615是12位串行数字量输入，4路单端电压输出的DAC，D／A转换速率为76ksps×4通道，转换精度为±0.1％FSR。本设计中，将其配置为单极性0～2.5V输出，再经运算放大器做阻抗匹配后，形成0～4V的电枢电流信号输出到地面测试系统。

对于AOCC的控制指令，经相应电平转换电路后，连接到CPLD识别，然后送给DSP处理。对于转动状态和电源状态，则根据DSP计算结果输出；外扩串口控制芯片16C2552，与触摸显示液晶屏进行通信，将轮转速及状态进行显示。VC33的浮点运算能力为120MIPS，完全满足转速脉冲的计算要求。两种动量轮的选择开关设计在触摸显示液晶屏上，通过串口将不同的轮转动惯量特征送给DSP处理。

所有数字输入信号均为比较器接入，所有数字输出信号都为三极管驱动输出，控制指令为0／12V数字信号，转速脉冲为0／12V数字信号，电源状态和转速方向为0和开路两种状态数字信号。

动量轮模拟器软件结构

动量轮模拟器软件主要是指DSP的应用程序，图2为其软件主程序流程图。

DSP主程序完成控制信号的采集、角速度运算和各种特征指示量的输出，以及与液晶屏的通信。并判断系统是工作在自检状态还是模拟轮运转状态，依情况控制，系统采集数据或提取触摸屏键入的数据，以便做角速度和角度的计算。

电枢电流和液晶屏的显示数据1s刷新一次。轮的转动角度是角速度对时间的积分，在1μs定时中断服务程序中完成，如图3所示。转速频率以24个脉冲／转输出时，每个脉冲代表360／24=15°，占空比为50％，每隔7.5°角频率端口翻转一次。

动量轮模拟器的运行效果

动量轮模拟器作为卫星控制系统地面测试设备的组成部分，完成了预期的功能：在地面测试设备移动后，对地面测试设备进行全面快速自检，确保其与卫星对接时不会损坏卫星电路，以便正确测试卫星数据；模拟动量轮部件，经采集和运算后输出按照控制力矩的大小和方向变化的转速脉冲。

本模拟器成功模拟了动量轮部件，已通过了用户验收，并应用在了某型号卫星的AOCC分系统和整星试验的测试项目中。

结语

以高性能浮点DSP芯片TMS320VC33为核心，以CPLD为辅助设计的动量轮模拟器，具有多种端口，硬件简单，只占用了一块APCI板卡的面积。该系统对浮点运算能力要求高的领域具有很好的参考价值。