專利名稱：一種用于脈沖等離子體推力器的電路的制作方法
技術領域：
本技術屬于電推進領域，涉及一種用于脈沖等離子體推力器的電路，具體涉及自 動控制等電路技術。
背景技術：
電推進等空間用微小推力發動機技術在航天領域應用廣泛。由于空間應用的推力 器要求比沖高，質量小，對推力器的設計帶來很大困難。脈沖等離子體推力器的電源處理單 元占推力器質量的絕大部分，推力器的性能也跟電路的特點密切相關。現階段的研究成果 有利用反擊式開關變換器產生高壓的電路，這種電路較為復雜，點火控制不精確。具體參見 《40J脈沖等離子體推力器性能研究》，胡宗森，2002. 6。
發明內容
本發明的目的在于提供一種將衛星上低壓直流變換為高壓脈沖，對儲能電容充 電，并引入反饋控制電壓的用于脈沖等離子體推力器的電路，包括點火電路，儲能電路和控 制電路。點火電路用來將衛星母線電源(Vl)變換為高壓脈沖對點火電容(Cl)充電，在接 收到點火信號后對火花塞放電；儲能電路用來將衛星母線電源(Vl)變換為高壓脈沖對儲能電容(C2)充電；控制電路用來發出斬波信號進行電壓變換，監測點火電路中的點火電容(Cl)和 儲能電路中的儲能電容(C2)的電壓并發出點火信號。所述點火電路包括脈沖變壓器(Tl)與(T2)，開關晶體管(Ql)與(Q2)，點火電容 (Cl)，鉗位二極管(Dl)與(D5)、束流二極管(D2)、氣體放電管(a)與(b)，分壓電阻(Rl)、 采樣電阻(R2)和火花塞；其中，衛星母線電源(Vl)為低壓直流電源，衛星母線電源(Vl)與 脈沖變壓器(Tl)初級線圈和開關晶體管(Ql)串聯，脈沖變壓器(Tl)次級線圈與鉗位二極 管(Dl)和點火電容(Cl)串聯，分壓電阻(Rl)和采樣電阻(R2)串聯后與點火電容(Cl)并 聯，鉗位二極管(D5)與氣體放電管(a)、氣體放電管(b)、火花塞串聯后與點火電容(Cl)并 聯，分壓電阻(Rl)和采樣電阻(R2)連接點引出采樣電壓；衛星母線電源(Vl)與脈沖變壓 器(T2)初級線圈和開關晶體管(Q2)串聯，脈沖變壓器(T2)次級線圈與束流二極管(D2) 和氣體放電管(a)串聯。儲能電路包括脈沖變壓器(T3)，開關晶體管(Q3)，鉗位二極管(D3)、(D4)，儲能電 容(C2)，分壓電阻(R3)、采樣電阻(R4)、限流電阻(R5)和氣體放電管(c)；衛星母線電源 (Vl)與脈沖變壓器(T3)初級線圈和開關晶體管(Q3)串聯，脈沖變壓器(T3)次級線圈與 鉗位二極管(D3)和儲能電容(C2)串聯，分壓電阻(R3)與采樣電阻(R4)串聯后與儲能電 容(C2)并聯，氣體放電管(c)與限流電阻(R5)串聯后與儲能電容(C2)并聯，鉗位二極管 (D4)與儲能電容(C2)并聯，分壓電阻(R3)與采樣電阻(R4)的連接點引出采樣電壓。控制電路包括ATmegal6型單片機，電壓比較器(U 1)、(U2)，穩壓管(D6)、(D7)，電位器(R6)、(R7)，限流電阻(R8)、分壓電阻(R9)、(RlO)、(Rll)、限流電阻(R12)，驅動三極管 (Q4)、(Q5)、(Q6)，控制信號電源(V2)和標準直流電源(V3)。其中，電壓比較器(Ul)負輸 入端接電位器(R6)，正輸入端與點火電路中分壓電阻(R1)、采樣電阻(R2)連接點連接；電 壓比較器(Ul)輸出端串聯限流電阻(R8)和穩壓管(D6)，穩壓管(D6)兩端引出電壓接單片 機輸入引腳(8)；電壓比較器(U2)負輸入端接電位器(R7)，正輸入端與儲能電路中分壓電 阻(R3)、采樣電阻(R4)的連接點連接；電壓比較器(U2)輸出端串聯限流電阻(R12)和穩壓 管(D7)，穩壓管(D7)兩端引出電壓接單片機輸入引腳(4)；電壓比較器(Ul)和電壓比較器 (U2)使用標準直流電源(V3)供電，標準直流電源(V3)并聯在電位器(R6)、(R7)兩端；單 片機使用穩壓電源(VCC)供電，標準直流電源(V3)與單片機共地，點火電路(1)中的點火 電容(Cl)、儲能電路(2)中的儲能電容(C2)的低壓端與單片機共地；單片機輸出引腳⑴ 與驅動三極管(Q4)、分壓電阻(R9)、控制信號電源(V2)串聯；單片機輸出引腳(3)與驅動 三極管(Q5)、分壓電阻(RlO)、控制信號電源(V2)串聯；單片機輸出引腳(2)與驅動三極管 (Q6)、分壓電阻(Rll)、控制信號電源(V2)串聯；控制信號電源(V2)正極接地，負極與衛星 母線電源(Vl)負極連接；分壓電阻(R9)與驅動三極管(Q4)的連接點與儲能電路中開關晶 體管(Q3)控制極連接；分壓電阻(RlO)高壓端接開關晶體管(Q2)控制極；分壓電阻(Rll) 高壓端接開關晶體管(Ql)控制極。電路工作時，控制電路中的單片機輸出斬波信號，通過點火電路與儲能電路中的 脈沖變壓器對點火電容(Cl)與儲能電容(C2)充電。在兩個電壓比較器正輸入端的采樣電 壓分別達到設定的點火電壓與儲能電壓時，單片機停止輸出斬波信號，經過一個設定的延 遲時間，單片機輸出點火信號，點火信號通過儲能電路中的脈沖變壓器(T3)產生觸發脈沖 高壓電，脈沖高壓電放電擊穿氣體放電管(b)產生電火花，引發點火。本發明能夠準確、快 速、可控的實現電源轉換。本發明應的優點在于1、本發明電路中采用脈沖變壓器，高壓與低壓隔離，對衛星母線電壓影響小；2、本發明電路中通過脈沖高壓電放電擊穿氣體放電管產生電火花，引發點火，可 精確控制點火頻率；3、本發明引入反饋控制，監測點火電容和儲能電容電壓，防止電壓過高對電容造 成損害，具有過壓保護功能。
圖1是本發明電路的電路原理圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。本發明提供一種用于脈沖等離子體推力器的電路，主要由點火電路1，儲能電路2 和控制電路3組成，如圖1所示。點火電路1用來將衛星母線電源Vl變換為高壓脈沖對點火電容Cl充電，在接收 到點火信號后對火花塞放電。儲能電路2用來將衛星母線電源Vl變換為高壓脈沖對儲能電容C2充電。
控制電路3用來發出斬波信號進行電壓變換，監測點火電路1中的點火電容Cl和 儲能電路2中的儲能電容C2的電壓并發出點火信號。所述點火電路1包括脈沖變壓器Tl與T2，開關晶體管Ql與Q2，點火電容Cl，鉗 位二極管Dl與D5、束流二極管D2、氣體放電管a與b，分壓電阻R1、采樣電阻R2和火花塞。 其中，衛星母線電源Vl為低壓直流電源，衛星母線電源Vl與脈沖變壓器Tl初級線圈和開 關晶體管Ql串聯，脈沖變壓器Tl次級線圈與鉗位二極管Dl和點火電容Cl串聯，分壓電阻 Rl和采樣電阻R2串聯后與點火電容Cl并聯，鉗位二極管D5與氣體放電管a、氣體放電管 b、火花塞串聯后與點火電容Cl并聯，分壓電阻Rl和采樣電阻R2連接點引出采樣電壓；衛 星母線電源Vl與脈沖變壓器T2初級線圈和開關晶體管Q2串聯，脈沖變壓器T2次級線圈 與束流二極管D2和氣體放電管a串聯。儲能電路2包括脈沖變壓器T3，開關晶體管Q3，鉗位二極管D3、D4，儲能電容C2， 分壓電阻R3、采樣電阻R4、限流電阻R5和氣體放電管C。衛星母線電源Vl與脈沖變壓器 T3初級線圈和開關晶體管Q3串聯，脈沖變壓器T3次級線圈與鉗位二極管D3和儲能電容 C2串聯，分壓電阻R3與采樣電阻R4串聯后與儲能電容C2并聯，氣體放電管c與限流電阻 R5串聯后與儲能電容C2并聯，鉗位二極管D4與儲能電容C2并聯，分壓電阻R3與采樣電阻 R4的連接點引出采樣電壓。由于脈沖變壓器T1、T2和T3的使用，變壓器次級的高壓電路與變壓器初級的低壓 電路存在物理隔離，變壓器次級電路的高壓脈沖不會影響變壓器初級電路中電子元件的工 作，故減小了對衛星母線電壓的影響。控制電路3包括ATmegal6型單片機，電壓比較器U1、U2，穩壓管D6、D7，電位器R6、 R7,限流電阻R8、分壓電阻R9、RIO、Rl 1、限流電阻Rl2，驅動三極管Q4、Q5、Q6，控制信號電 源V2和標準直流電源V3。其中，單片機使用1、2、3、4、8引腳，其它引腳懸空。電壓比較器 Ul負輸入端接電位器R6，正輸入端與點火電路1中分壓電阻R1、采樣電阻R2連接點連接， 此連接點電壓為點火電路的反饋控制電壓。輸出端串聯限流電阻R8和穩壓管D6，穩壓管 D6兩端引出電壓接單片機輸入引腳8 ；電壓比較器U2負輸入端接電位器R7，正輸入端與儲 能電路2中分壓電阻R3、采樣電阻R4的連接點連接，此連接點處的電壓為儲能電路的反饋 控制電壓。電壓比較器U2輸出端串聯限流電阻R12和穩壓管D7，穩壓管D7兩端引出電壓 接單片機輸入引腳4 ；電壓比較器Ul和電壓比較器U2使用標準直流電源V3供電，標準直 流電源V3并聯在電位器R6、R7兩端；單片機使用穩壓電源VCC供電，標準直流電源V3與單 片機共地，點火電路1中的點火電容Cl、儲能電路2中的儲能電容C2的低壓端與單片機共 地；單片機輸出引腳1與驅動三極管Q4、分壓電阻R9、控制信號電源V2串聯；單片機輸出引 腳3與驅動三極管Q5、分壓電阻R10、控制信號電源V2串聯；單片機輸出引腳2與驅動三極 管Q6、分壓電阻R11、控制信號電源V2串聯；控制信號電源V2正極接地，負極與衛星母線電 源Vl負極連接；分壓電阻R9與驅動三極管Q4的連接點與儲能電路2中開關晶體管Q3控 制極連接；分壓電阻RlO高壓端接開關晶體管Q2控制極；分壓電阻Rll高壓端接開關晶體 管Ql控制極。電路工作時，控制電路3中的1腳和2腳持續輸出斬波信號，分別通過點火電路1 中的脈沖變壓器Tl與儲能電路2中的脈沖變壓器T3對點火電容Cl充電與儲能電容C2充 電，當電壓比較器Ul正輸入端的采樣電壓達到設定的點火電壓時，2腳停止輸出斬波信號，當電壓比較器U2正輸入端的采樣電壓達到設定的儲能電壓時，1腳停止輸出斬波信號，使 點火電容Cl、儲能電容C2兩端電壓維持在一個恒定的水平，防止充電電壓過高對電容造成 損壞。電容C2兩端并聯有放電管c，若儲能電容C2電壓過高將會擊穿放電管c放電，形成 對電容的過壓保護。經過一個設定的延遲時間，單片機3腳輸出點火信號，點火信號通過脈 沖變壓器T2產生觸發脈沖高壓電，脈沖高壓電放電擊氣體放電管b產生電火花。
通過編程可以控制單片機1腳和2腳輸出斬波信號的頻率、改變設定的延遲時間， 進而控制點火頻率，點火電壓，儲能電壓。其中，點火頻率為每秒鐘火花塞打火的次數，點火 頻率最高2Hz ；點火電壓為點火電容兩端電壓，點火電壓為3kV，儲能電壓為儲能電容兩端 電壓。儲能電壓為2kV。
權利要求
一種用于脈沖等離子體推力器的電路，其特征在于包括點火電路，儲能電路和控制電路；點火電路用來將衛星母線電源(V1)變換為高壓脈沖對點火電容充電(C1)，在接收到點火信號后對火花塞放電；儲能電路用來將衛星母線電源(V1)變換為高壓脈沖對儲能電容(C2)充電；控制電路用來發出斬波信號進行電壓變換，監測點火電路中的點火電容(C1)和儲能電路中的儲能電容(C2)的電壓并發出點火信號。
2.如權利要求1所述一種用于脈沖等離子體推力器的電路，其特征在于所述點火電 路包括脈沖變壓器(Tl)與(T2)，開關晶體管(Ql)與(Q2)，點火電容(Cl)，鉗位二極管(Dl) 與(D5)、束流二極管(D2)、氣體放電管(a)與(b)，分壓電阻(Rl)、采樣電阻(R2)和火花塞； 其中，衛星母線電源(Vl)為低壓直流電源，衛星母線電源(Vl)與脈沖變壓器(Tl)初級線 圈和開關晶體管(Ql)串聯，脈沖變壓器(Tl)次級線圈與鉗位二極管(Dl)和點火電容(Cl) 串聯，分壓電阻(Rl)和采樣電阻(R2)串聯后與點火電容(Cl)并聯，鉗位二極管(D5)與氣 體放電管(a)、氣體放電管(b)、火花塞串聯后與點火電容(Cl)并聯，分壓電阻(Rl)和采樣 電阻(R2)連接點引出采樣電壓；衛星母線電源(Vl)與脈沖變壓器(T2)初級線圈和開關晶 體管(Q2)串聯，脈沖變壓器(T2)次級線圈與束流二極管(D2)和氣體放電管(a)串聯。
3.如權利要求1所述一種用于脈沖等離子體推力器的電路，其特征在于儲能電路包 括脈沖變壓器(T3)，開關晶體管(Q3)，鉗位二極管(D3)、(D4)，儲能電容(C2)，分壓電阻 (R3)、采樣電阻(R4)、限流電阻(R5)和氣體放電管(c)；衛星母線電源(Vl)與脈沖變壓器 (T3)初級線圈和開關晶體管(Q3)串聯，脈沖變壓器(T3)次級線圈與鉗位二極管(D3)和儲 能電容(C2)串聯，分壓電阻(R3)與采樣電阻(R4)串聯后與儲能電容(C2)并聯，氣體放電 管(c)與限流電阻(R5)串聯后與儲能電容(C2)并聯，鉗位二極管(D4)與儲能電容(C2) 并聯，分壓電阻(R3)與采樣電阻(R4)的連接點引出采樣電壓。
4.如權利要求2或3所述一種用于脈沖等離子體推力器的電路，其特征在于所述點 火電容(Cl)兩端的電壓為3kV ；儲能電容(C2)兩端電壓為2kV ；火花塞每秒打火的次數為 2次。
5.如權利要求1所述一種用于脈沖等離子體推力器的電路，其特征在于控制電路包 括ATmegaie型單片機，電壓比較器(Ul)、(U2)，穩壓管(D6)、(D7)，電位器(R6)、(R7)，限流 電阻(R8)、分壓電阻(R9)、(RlO)、(Rll)、限流電阻(R12)，驅動三極管(Q4)、(Q5)、(Q6)，控 制信號電源(V2)和標準直流電源(V3)；其中，電壓比較器(Ul)負輸入端接電位器(R6)，正 輸入端與點火電路中分壓電阻(Rl)、采樣電阻(R2)連接點連接，輸出端串聯限流電阻(R8) 和穩壓管(D6)，穩壓管(D6)兩端引出電壓接單片機輸入引腳(8)；電壓比較器(U2)負輸 入端接電位器(R7)，正輸入端與儲能電路中分壓電阻(R3)、采樣電阻(R4)的連接點連接， 輸出端串聯限流電阻(R12)和穩壓管(D7)，穩壓管(D7)兩端引出電壓接單片機輸入引腳 (4)；電壓比較器(Ul)和電壓比較器(U2)使用標準直流電源(V3)供電，標準直流電源(V3) 并聯在電位器(R6)、(R7)兩端；單片機使用穩壓電源(VCC)供電，標準直流電源(V3)與單 片機共地，點火電路⑴中的點火電容(Cl)、儲能電路⑵中的儲能電容(C2)的低壓端與 單片機共地；單片機輸出引腳(1)與驅動三極管(Q4)、分壓電阻(R9)、控制信號電源(V2) 串聯；單片機輸出引腳⑶與驅動三極管(Q5)、分壓電阻(RlO)、控制信號電源(V2)串聯；單片機輸出引腳⑵與驅動三極管(Q6)、分壓電阻(Rll)、控制信號電源(V2)串聯；控制信 號電源(V2)正極接地，負極與衛星母線電源(Vl)負極連接；分壓電阻(R9)與驅動三極管 (Q4)的連接點與儲能電路中開關晶體管(Q3)控制極連接；分壓電阻(RlO)高壓端接開關 晶體管(Q2)控制極；分壓電阻(Rll)高壓端接開關晶體管(Ql)控制極。
全文摘要
本發明公開了一種用于脈沖等離子體推力器的電路，包括點火電路，儲能電路和控制電路；控制電路中的單片機輸出斬波信號，通過點火電路與儲能電路中的脈沖變壓器對點火電容與儲能電容充電。在兩個電壓比較器正輸入端的采樣電壓分別達到設定的點火電壓與儲能電壓時，單片機停止輸出斬波信號，經過一個設定的延遲時間，單片機輸出點火信號，點火信號通過儲能電路中的脈沖變壓器產生觸發脈沖高壓電，脈沖高壓電放電擊穿氣體放電管產生電火花，引發點火。本發明優點在于能夠實現快速、可控的充電和精確的觸發點火。
文檔編號F03H1/00GK101943148SQ20101023752
公開日2011年1月12日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者余鵬, 衛強, 湯海濱, 王安良, 隋祿濤 申請人:北京航空航天大學