一种机电一体化磁力矩器结构的制作方法

本发明涉及一种磁力矩器结构，特别是一种机电一体化磁力矩器结构，属于磁力矩器技术领域。

背景技术：

磁力矩器产品主要由磁力矩器磁棒和电路组件两部分构成，目前现有的磁力矩器产品均为分体式磁力矩器，棒体和电路为两个独立的组件，结构上没有任何连接，电气上的连接只能通过星上电缆实现。

除较复杂的电路组件采用单独线路盒的形式，大部分的电路组件均为单板形式，根据不同的任务要求，安装在不同线路盒中。由于不同线路盒的尺寸、布局、插装方式、节点定义等技术状态均有不同，导致磁力矩器驱动线路的技术状态很难统一、固化，不利于产品定型与批产。且随着宇航工程的发展，越来越多的电子线路产品都进行了技术改进或是产品的更新换代，不再能够提供磁力矩器驱动线路的安装位置，使得电路组件的安装问题尤为突出。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术不足，提出一种机电一体化磁力矩器结构，针对磁力矩器本体细长的结构特点，采用异形线路盒的结构设计，实现驱动线路与磁力矩器本体的有机结合，合理布放线路盒的位置，提高整机的抗力学性能，满足驱动要求的前提下，大幅简化了驱动线路的结构，缩小产品的体积。

本发明所采用的技术方案是：一种机电一体化磁力矩器结构，包括磁棒、电路组件、线路盒壳体组件和支架组件；电路组件包括电路板、电连接器和散热框架，电连接器安装在电路板一侧，电连接器的插针电装在电路板上，功率器件安装在散热框架上，散热框架紧固在电路板上；支架组件包括支架座a；线路盒壳体组件包括主腔体；主腔体通过底部支架与支架座a紧固安装在磁棒一端，支架座a安装在外部设备上，主腔体位于支架座a上方；磁棒的引出线穿入主腔体的腔体内，并电装在电路板上；电路组件固定在主腔体的腔体内，电连接器的插座从腔体内穿出用于与外部设备连接。

所述磁棒包括软磁芯棒、挡圈、引出线、热缩套管、漆包线；漆包线缠绕在软磁芯棒的表面，软磁芯棒两端用挡圈固定并挡住漆包线，漆包线的两个端头从软磁芯棒一端的挡圈上的通孔引出并在漆包线的两个端头各电装一根引出线；漆包线表面包覆热缩套管，引出线固定在热缩套管表面。

所述线路盒壳体组件安装在磁棒上，距离带有引出线一端端部0.2～0.22倍磁棒总长的位置处。

所述电路板包括信号处理电路、逻辑控制电路、功率驱动电路、功能检测电路；磁矩幅值控制信号与磁矩方向控制信号经过信号处理电路滤波、隔离及整形后送入逻辑控制电路，逻辑控制电路根据磁矩幅值控制信号与磁矩方向控制信号的状态输出用于控制功率驱动电路中H桥电路桥壁的逻辑控制信号，功率驱动电路根据逻辑控制电路输出信号的状态为磁棒提供激励电流，功率驱动电路同时输出检测信号，检测信号经功能检测电路合并后，输出反映机电一体化磁力矩器输出磁矩的大小和方向的信号。

所述信号处理电路包括电阻R1～电阻R6、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2、反相器U1、反相器U2；电阻R1一端接信号地，另一端连接电阻R2后连接二极管D1的阴极，电容C1一端接信号地，另一端连接二极管D1的阴极；二极管D1阳极连接反相器U1输入端；电阻R3一端连接VCC，另一端连接二极管D1的阳极；磁矩幅值控制信号从电阻R1和电阻R2的公共端输入，反相器U1输出端输出AM信号；电阻R4一端接信号地，另一端连接电阻R5后连接二极管D2的阴极，电容C2一端接信号地，另一端连接二极管D2的阴极；二极管D2阳极连接反相器U2输入端；电阻R6一端连接VCC，另一端连接二极管D2的阳极；磁矩方向控制信号从电阻R4和电阻R5的公共端输入，反相器U2输出端输出LOGIC信号。

所述逻辑控制电路包括与门U3～与门U8、比较器F1、比较器F2、比较电平V1、反相器U9、电阻R7～电阻R14、电容C3～电容C8；LOGIC信号接到与门U3的一个输入端，并通过电阻R7接到与门U3的另一个输入端，电容C3一端接信号地，另一端接入电阻R7与与门U3的公共端；LOGIC信号接入反相器U9输入端，反相器U9的输出端通过电阻R9与比较器F1的负输入端连接，电容C4一端接信号地，另一端连接电阻R9与比较器F1的公共端；比较器F1正输入端通过电阻R8接比较器F1的输出端，比较器F1的输出端输出DIR3信号；与门U3和比较器F1的输出端分别接入与门U4的两个输入端，与门U4的输出端通过电阻R10接入与门U5的一个输入端，电容C7一端接信号地，另一端连接电阻R10与与门U5的公共端；与门U5的另一个输入端接AM信号，与门U5输出PWM1信号；反相器U9输出端连接与门U6的一个输入端，并通过电阻R11接到与门U6的另一个输入端，电容C5一端接信号地，另一端接入电阻R11与与门U6的公共端；LOGIC信号通过电阻R13与比较器F2的负输入端连接，电容C6一端接信号地，另一端连接电阻R13与比较器F2的公共端；比较器F2正输入端通过电阻R12接比较器F2的输出端，比较器F2的输出端输出DIR4信号；与门U6和比较器F2的输出端分别接入与门U7的两个输入端，与门U7的输出端通过电阻R14接入与门U8的一个输入端，电容C8一端接信号地，另一端连接电阻R14与与门U8的公共端；与门U8的另一个输入端接AM信号，与门U8输出PWM2信号；比较电平V1两端分别连接比较器F1的正输入端、比较器F2的正输入端。

所述功率驱动电路包括功率驱动管T1～功率驱动管T4、二极管D3、二极管D4、电阻R15、电阻R16；功率驱动管T1的集电极、功率驱动管T2的集电极均连接VSS，功率驱动管T1的发射极连接功率驱动管T3的集电极，功率驱动管T3的发射极通过电阻R15接功率地；二极管D3阴极接功率驱动管T3的集电极，阳极接功率地；功率驱动管T2的发射极连接功率驱动管T4的集电极，功率驱动管T4的发射极通过电阻R16接功率地；二极管D4阴极接功率驱动管T4的集电极，阳极接功率地；PWM1信号接入功率驱动管T1的基极，PWM2信号接入功率驱动管T2的基极，DIR3信号接入功率驱动管T4的基极，DIR4信号接入功率驱动管T3的基极；DT+信号从功率驱动管T3发射极输出，DT-信号从功率驱动管T4发射极输出；磁棒连接在功率驱动管T1发射极和功率驱动管T2发射极之间。

所述功能检测电路包括放大器A1～放大器A3、电阻R17～电阻R26；DT-信号通过电阻R18接入放大器A1的同相输入端，电阻R17两端分别连接放大器A1的反相输入端和输出端，放大器A1的输出端通过电阻R22接入放大器A3的反相输入端；DT+信号通过电阻R20接入放大器A2的同相输入端，电阻R19两端分别连接放大器A2的反相输入端和输出端，放大器A2的输出端通过电阻R23接入放大器A3的同相输入端；放大器A3的输出端连接电阻R25后输出信号，电阻R21两端分别连接放大器A3的反相输入端和输出端；电阻R24一端接信号地，另一端连接放大器A3的同相输入端；电阻R26一端接信号地，另一端连接电阻R25输出信号的一端。

所述主腔体包括两部分，上半部分为方形腔体，腔体顶部和一侧壁开口；下半部分具有用于固定磁棒的半圆柱形槽；电路组件倒放在主腔体腔体内，散热框架朝下并固定在腔体内的安装台面上；所述支架座a上有用于与主腔体配合共同固定磁棒的半圆柱形槽；所述支架组件还包括支架座b、支架盖；支架座b和支架盖上具有半圆柱形槽；支架座b与支架盖相互配合紧固安装在磁棒上未安装线路盒壳体组件的一端。

所述线路盒壳体组件还包括上盖板和前面板；前面板安装在主腔体腔体侧壁开口处，电连接器的插座从前面板上的引出孔穿出并固定，上盖板覆盖安装在主腔体腔体顶部开口处；所述散热框架为铝合金一体框架，为四边形结构，三边封闭，一边开口，开口一边处安装电连接器，与开口一边对应的另一边中部伸出长条形的散热片，功率器件固定在散热片上，功率器件与散热片之间垫有导热绝缘垫片。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明实现了磁力矩器的机电一体化设计，对比分体式磁力矩器，机电一体化磁力矩器在减轻产品重量、缩小产品体积的同时，避免了磁力矩器磁棒与线路组件之间的长线传输，有效地避免了干扰信号的引入，提高了信号质量，改善了产品的性能。同时一体化磁力矩器还具有接口统一，状态固化、便于卫星选用等优点。

(2)本发明将线路盒壳体组件安装在磁棒上方，保证磁棒的质心与安装面的距离不会太大，提高产品的抗力学性能。将线路盒壳体组件安装在磁棒的上方，同时兼顾对磁棒的紧固及线路盒壳体组件的具体布放位置，使整机结构刚度最为优化，在满足抗力学要求的前提下使整机重量达到最轻。

(3)本发明采用幅值和方向两个控制信号作为机电一体化磁力矩器输出磁矩的输入信号。根据两个控制信号的状态通过逻辑控制电路直接输出四个用于控制功率驱动电路的逻辑信号，并在逻辑控制电路内部解决了控制信号换向时，反电势的泻放问题，电路结构简单，可靠性高，满足技术要求的条件下，大幅减小了电路组件的体积。

(4)本发明的机电一体化磁力矩器结构除具备普通磁力矩器装置的功能外，还具有体积小、重量轻、结构简单、对外接口统一、利于产品定型、产品集成度高等优点，在小卫星平台和中、低轨大卫星平台都用良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明机电一体化磁力矩器三维图；

图2为本发明机电一体化磁力矩器电路组件示意图；

图3为本发明机电一体化磁力矩器磁棒示意图；

图4为本发明机电一体化磁力矩器线路盒壳体组件装配示意图；

图5为本发明机电一体化磁力矩器电路板原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细地描述：

如图1和图2所示，本发明公开了一种机电一体化磁力矩器结构包括磁棒1、电路组件2、线路盒壳体组件3和支架组件4。

电路组件2用于接收控制信号，根据控制信号的状态输出特定的激磁电流提供给磁棒1。如图2所示，电路组件2包括电路板5、电连接器6和散热框架7。电连接器6通过紧固件安装在电路板5上，电连接器6的插针直接电装在电路板5上。电连接器6为板级外电连接器，一端直接电装在电路板5(印制板)上，另一端的插座可以直接与电缆上的插头相连接。散热框架7为异形铝合金一体框架，整体框架为四边形结构，三边封闭，一边开口，开口一边用于电连接器6的安装，与开口一边对应的另一边上伸出一长条散热片，功率器件8直接布放在该散热片上，且和该散热片之间垫有导热绝缘垫片。电路板5和散热框架7都具有六个位置相同的安装孔，其中三个孔用于电路板5和散热框架7之间的连接，这三个孔分别位于电路板5上电连接器6对面一边的两端和散热片的一端。另外三个孔用于电路组件2安装于线路盒壳体组件3内，分别位于电路板5具有电连接器6一边的两端和电连接器6对面一边的中间。散热框架7通过三个M2螺钉9紧固在电路板5上。

如图5所示，电路板5包括信号处理电路、逻辑控制电路、功率驱动电路、功能检测电路；磁矩幅值与方向两个控制信号经过信号处理电路滤波、隔离及整形后送入逻辑控制电路，逻辑控制电路根据幅值与方向两个信号的状态输出四个用于控制功率驱动电路中H桥电路四个桥壁的逻辑控制信号，功率驱动电路根据逻辑控制电路输出信号的状态为磁棒1提供激励电流，功率驱动电路同时输出两个检测信号，两个检测信号经功能检查电路合并为一个检测信号后作为整机的输出信号，该信号可以反映出机电一体化磁力矩器输出磁矩的大小和方向。为简化驱动线路的结构，便于驱动线路的小型化和模块化，从而能够形成一体化磁力矩器整机，一体化磁力矩器具有两个控制信号，两个控制信号分别用于控制机电一体化磁力矩器输出磁矩的幅值和方向。其中幅值信号为定宽调频的脉冲信号，方向信号为高低电平信号。信号处理电路包括幅值信号处理电路和方向信号处理电路，两部分电路完全相同，由电阻R1～电阻R6、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2、反相器U1、反相器U2组成，主要是对输入信号进行滤波、隔离及整形，并输出AM和LOGIC两个信号，用于逻辑控制电路的输入信号。电阻R1一端接信号地，另一端连接电阻R2后连接二极管D1的阴极，电容C1一端接信号地，另一端连接二极管D1的阴极；二极管D1阳极连接反相器U1输入端；电阻R3一端连接VCC，另一端连接二极管D1的阳极；磁矩幅值控制信号从电阻R1和电阻R2的公共端输入，反相器U1输出端输出AM信号；电阻R4一端接信号地，另一端连接电阻R5后连接二极管D2的阴极，电容C2一端接信号地，另一端连接二极管D2的阴极；二极管D2阳极连接反相器U2输入端；电阻R6一端连接VCC，另一端连接二极管D2的阳极；磁矩方向控制信号从电阻R4和电阻R5的公共端输入，反相器U2输出端输出LOGIC信号。逻辑控制电路包括与门U3～U8、比较器F1、F2、比较电平V1、反相器U9、电阻R7～R14、电容C3～C8，根据AM和LOGIC的状态输出四个用于控制H桥驱动电路四个桥壁的逻辑控制信号PWM1、PWM2、DIR3、DIR4。LOGIC信号直接接到与门U3的一个输入端，并通过电阻R7和电容C3延时网络接到U3的另一个输入端。LOGIC信号同时接反相器U9，U9的另一端通过电阻R9和电容C4延时网络接到比较器F1的负输入端，F1正输入端接比较电平V1，同时通过电阻R8接F1的输出端，F1的输出端信号即为DIR3。U3和F1的输出端分别接在U4的两个输入端，U4的输出端通过电阻R10和电容C7延时网络接到U5的一个输入端，U5的另一个输入端接AM信号，U5输出信号为PWM1。PWM2和DIR4的产生电路与PWM1和DIR3相同，只是与LOGIC的连接处相差一个反相器U9。反相器U9输出端连接与门U6的一个输入端，并通过电阻R11接到与门U6的另一个输入端，电容C5一端接信号地，另一端接入电阻R11与与门U6的公共端；LOGIC信号通过电阻R13与比较器F2的负输入端连接，电容C6一端接信号地，另一端连接电阻R13与比较器F2的公共端，比较器F2正输入端与比较电平V1另一端相连；比较器F2正输入端通过电阻R12接比较器F2的输出端，比较器F2的输出端输出DIR4信号；与门U6和比较器F2的输出端分别接入与门U7的两个输入端，与门U7的输出端通过电阻R14接入与门U8的一个输入端，电容C8一端接信号地，另一端连接电阻R14与与门U8的公共端；与门U8的另一个输入端接AM信号，与门U8输出PWM2信号。功率驱动电路包括功率驱动管T1～T4、续流二极管D3、D4、检测电阻R15、R16，功率驱动电路根据逻辑控制信号PWM1、PWM2、DIR3、DIR4的状态，为磁棒1提供不同大小、不同方向的激励电流，同时从检测电阻R15和R16的非接地端输出两个信号DT+和DT-。功率驱动管T1的集电极、功率驱动管T2的集电极均连接VSS，功率驱动管T1的发射极连接功率驱动管T3的集电极，功率驱动管T3的发射极通过电阻R15接功率地；二极管D3阴极接功率驱动管T3的集电极，阳极接功率地；功率驱动管T2的发射极连接功率驱动管T4的集电极，功率驱动管T4的发射极通过电阻R16接功率地；二极管D4阴极接功率驱动管T4的集电极，阳极接功率地；PWM1信号接入功率驱动管T1的基极，PWM2信号接入功率驱动管T2的基极，DIR3信号接入功率驱动管T4的基极，DIR4信号接入功率驱动管T3的基极；DT+信号从功率驱动管T3发射极输出，DT-信号从功率驱动管T4发射极输出；磁棒1连接在功率驱动管T1发射极和功率驱动管T2发射极之间。功能检测电路包括放大器A1～A3、电阻R17～R26，将DT+和DT-两个信号通过A1和A2进行跟随处理，同时将A1和A2输出的两个信号与功率地线进行隔离，并对A1和A2输出的两个信号通过A3进行差分，A3的输出信号经过R25和R26分压后得到检测输出信号，该信号可以反映出机电一体化磁力矩器输出磁矩的大小和方向。DT-信号通过电阻R18接入放大器A1的同相输入端，电阻R17两端分别连接放大器A1的反相输入端和输出端，放大器A1的输出端通过电阻R22接入放大器A3的反相输入端；DT+信号通过电阻R20接入放大器A2的同相输入端，电阻R19两端分别连接放大器A2的反相输入端和输出端，放大器A2的输出端通过电阻R23接入放大器A3的同相输入端；放大器A3的输出端连接电阻R25后输出信号，电阻R21两端分别连接放大器A3的反相输入端和输出端；电阻R24一端接信号地，另一端连接放大器A3的同相输入端；电阻R26一端接信号地，另一端连接电阻R25输出信号的一端。

如图3所示，磁棒1包括软磁芯棒11、挡圈12、引出线13、热缩套管14、漆包线15。漆包线15均匀地缠绕在软磁芯棒11的表面，软磁芯棒11两端用挡圈12固定，漆包线15的两端从软磁芯棒11的一端引出，并在漆包线15的两端各电装一根引出线13。漆包线15表面包覆一层热缩套管14。引出线13通过绑扎线固定在热缩套管14的表面。

如图1所示，支架组件4包括支架座a16、支架座b17、支架盖18。支架座a16、支架座b17、支架盖18上均具有半圆柱形槽，用于紧固磁棒1。线路盒壳体组件3包括：主腔体19、上盖板20和前面板21。主腔体19采用异形设计，分为上下两部分，上部分为方形腔体，用于安装电路组件2，下半部分同样具有半圆柱形槽和4个安装孔，用于紧固磁棒1。线路盒壳体组件3安装在磁棒1的上方，具体位置为距带有引出线13一端端部0.2～0.22倍磁棒1总长的位置，线路盒壳体组件3布放在此位置范围之内，在满足力学性能要求的前提下，整机的重量最轻。支架座a16固定在外部设备上，线路盒壳体组件3位于支架座a16上方，使得线路盒壳体组件3处在磁棒1的上方。线路盒壳体组件3与支架座a16一起通过4个M5的螺钉实现对磁棒1一端的紧固，支架座b17与支架盖18一起通过4个M5的螺钉实现对磁棒1另一端的紧固。

如图4所示，磁棒1的引出线13通过主腔体19上的穿线孔穿入方形腔体中，在方形腔体中成型固定后，再电装在电路板5上的相应焊点上。电路组件2倒放在方形腔体内，散热框架7朝下，如图2所示，将电路组件2通过三个M2螺钉10直接固定在方形腔体内的安装台面上，增大散热框架7与主腔体19的接触面积，便于产品散热。电路组件2在方形腔体内固定好后，将上盖板20和前面板21通过紧固件固定好，前面板21上留有电连接器6的引出孔，电连接器6的插座穿出前面板21，并通过紧固件固定在前面板21上，实现与外部信号的连接。

由于磁力矩器的磁棒1中的软磁芯棒11为细长的圆柱形，通常长径比在1：25～1：40之间，且软磁材料具有脆性大，加工性能差，抗力学性能差的特点，所以如果将电路组件2安装在磁棒1下方，将会大幅增加磁棒1的质心高度。这种情况下，为保证产品的抗力学性能，会增加连接支架的宽度和厚度，直接导致产品的重量和尺寸的大幅增加。将线路盒壳体组件3安装在磁棒1的上方，同时兼顾对磁棒1的紧固，给出线路盒壳体组件3的具体布放位置：距带有引出线端部0.2～0.22倍磁棒1总长的位置，这样可以使整机结构刚度最为优化，在满足抗力学要求的前提下使整机重量达到最轻。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。