MICROELECTRONIC SYSTEMS FOR AUTOMATION OF PERSPECTIVE SPACE VEHICLES

全文:

В условиях космической среды функционирование электронных систем подвержено значительным нагрузкам: излучение тяжелых ионов, значительные перепады температур, вибрационные нагрузки при старте и торможении и др. Сегодня, к электронным системам управления (ЭСУ) исполнительной автоматикой космических аппаратов (КА) предъявляются крайне жесткие требования. Высокая надежность существенна для всех видов исполнительной автоматики (ИА) и систем управления КА. Она обеспечивается комплексом мероприятий на всех этапах создания и подготовки, включая повышение надежности его элементов, аппаратуры и оборудования, строгим технологическим контролем на всех стадиях изготовления, тщательной отработкой систем и агрегатов с имитацией условий космического полета, проведением комплексных предполетных испытаний и др. Основной проблемой обеспечения надежности функционирования электронной аппаратуры КА является обеспечение защиты от проникающей радиации. С целью повышения надежности ЭСУ в КА используется массивное и дорогостоящее экранирование для защиты важных электронных цепей и элементов от космического излучения. Кроме того применяют дублирование, триплирование, резервирование отдельных узлов, а также автоматические схемы распознавания отказов в функционировании электронных систем и их замены и др. Однако, при реализации ЭСУ на основе аналоговой или цифровой элементной базы малой степени интеграции, такие меры приводят к увеличению веса, габаритов и энергопотребления оборудования. Тем не менее, при проектировании ЭСУ в виде однокристальных микроэлектронных систем такой подход является на сегодняшний день единственно приемлемым. Например, в ПЛИС RTAX-S/SL от компании Actel архитектура микросхем оптимизирована для работы в условиях космического облучения, все регистры выполнены с тройным резервированием, а сигнал на выходе регистров определяется мажоритарной схемой. Среди наиболее перспективных технологий создания радиационно стойких микросхем следует отметить структуры на основе кремния на сапфире [1], применение соединения кремния с германием (SiGe) для разработки гибридных систем [2] и др. С точки зрения системной организации одной из основных тенденций в области достижения высоких технологических показателей аэрокосмической техники является унификация и стандартизация оборудования и интерфейсов комплексов бортового оборудования (КБО). Одним из основных направлений развития ЭСУ является создание высоконадежных бортовых управляющих комплексов, базирующихся на специализированных процессорах, предназначенных для обработки цифровых и аналоговых сигналов [3]. Тем не менее, следует учитывать, что конечные электронные и электромеханические системы управления для исполнительной автоматики КА, как правило, используют несложные алгоритмы формирования управляющих воздействий, следовательно, центральные вычислители таких систем не требуют высокопроизводительных процессорных ядер. Здесь на первый план помимо надежности проектируемой системы выходит унификация и универсальность ЭСУ. Система управления отдельным электромеханическим или электронным узлом ИА должна иметь в первую очередь высокую защищенность, надежность и обеспечивать максимальную универсальность для использования в составе ЭСУ различных узлов ИА. Решение означенных проблем должно базироваться на комплексном, системном подходе, охватывающем все стороны проектирования, испытаний и эксплуатации ЭСУ. Реализация конечной ЭСУ должна основываться на единой, унифицированной аппаратно-программной платформе, объединяющей все основные управляющие системы КА. 138 Авиационная и ракетно-космическая техника Разработка ЭСУ должна основываться на принципах высокоуровневого сквозного проектирования, с реализацией основного вычислителя в виде однокристального, специализированного процессора на реконфигурируемом кристалле, организованного на основе послойного триплирования основных модулей с мажоритированием и дублированием основных вычислительных узлов. Межблочный обмен такого процессора может быть реализован на основе одного из популярных внутрикристальных шинных протоколов, например AMBA, а дополнительную защиту от проникающих воздействий обеспечит реализация процессора на (SiGe) пластинах с уровнем проектных (топологических) норм элементов порядка (0,25-0,07 мкм и далее). Учитывая тот факт, что в большинстве ЭСУ ИА действующие процессы попадают под определения «медленно проистекающих» имеется возможность осуществлять динамическое реконфигурирование кристалла под текущую задачу в режиме реального времени. Например, осуществлять параллельное управление различными электромеханическими системами ИА [4]. Динамическая реконфигурация позволит значительно сократить занимаемую на кристалле площадь и как следствие уменьшить энергопотребление и повысить надежность системы за счет интеграции ЭСУ непосредственно в модуль ИА. Практическое применение означенных принципов отражено в реализуемой авторами системе управления синхронным двигателем с электромагнитной редукцией (СДЭР), входящим в состав модуля управления раскрытием антенны спутника связи в рабочее положение. Основной задачей проекта является обеспечение требуемой точности частоты встроенного генератора импульсов СДЭР от 0 Гц до 100 Гц с шагом 0,006103888 Гц (допускается погрешность 0,1 %), а так же параметров разгона СДЭР с частоты 10 Гц до требуемой со скоростью 5-10 Гц/с и обеспечение формирования двуполярных, ступенчатых сигналов управления двигателем. Для решения этих задач разрабатываемая микроэлектронная система управления ШД включает в себя регулятор тока, блок коммутации фаз двигателя и регулятор скорости вращения. В качестве управляющего устройства используется СБИС центрального вычислителя функционирующего по оригинальным алгоритмам [3] и выполняющего функцию регулятора скорости вращения. Вычислитель разработанного контроллера функционирует в режиме программного обмена с бортовым комплексом управления (БКУ), управляет регулятором тока (РТ), блоком коммутации фаз двигателя и блоком сопряжения с БКУ. В свою очередь, блок коммутации фаз двигателя (БКФ) обеспечивает требуемые электротехнические параметры коммутируемого сигнала и порядок коммутации фаз. В состав РТ входят компараторы, цифроаналоговые преобразователи и блок преобразования напряжения в ток. Для поддержания требуемых параметров тока в соответствующих фазах двигателя, вычислитель управляет РТ, формируя на выходе последнего ток требуемой величины. Такой подход реализуется на программном уровне с помощью цифро-аналогового преобразователя, который устанавливает границы для компараторов. Встроенные на кристалл компараторы настроены на «оконный» режим работы и при выходе тока за установленные границы генерируют внутреннее программное прерывание. В зависимости от того, за какую границу «окна» выходит текущее значения тока, вычислитель понижает или повышает ток в нагрузке. БКФ осуществляет коммутацию фаз двигателя, при этом скорость и направление вращения определяется частотой и последовательностью переключения ключей. При реализации центрального вычислителя в виде однокристального контроллера применялся системный подход к организации архитектурных решений [4]. Например, основные модули выполнены на основе тройного резервирования, а интерфейсные контроллеры и внутрисистемные каналы связи поддерживают действующие стандарты в космической отрасли. Физическая реализация контроллера на базе радиационно-стойкого кристалла позволила достичь требований предъявляемым к электронным системам ответственного применения. Таким образом, предложенный подход к системной организации однокристальных вычислителей для модулей управления ИА позволил обеспечить высокую адаптируемость к решаемым задачам, малую занимаемую площадь и низкое энергопотребление. Малые массогабаритные показатели позволят осуществлять монтаж ЭСУ непосредственно в конструкции механического модуля ИА и достичь высокой надежности всей системы в целом. Дальнейшее развитие предлагаемого подхода, основанное на последних достижениях в области проектирования гибридных однокристальных и однокорпусных систем, позволит разрабатывать радиационностойкие системы управления, совмещающие на одной подложке как цифровую, так и аналоговую часть. Такие системы позволят практически полностью отказаться от сложных схем в аналоговых трактах управления и перейти на принципиально новый уровень в разработке и производства ЭСУ для КА.

作者简介

O. Nepomnuashy

Siberian Federal University

Email: 2955005@gmail.com
79 Svobodny prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russia

K. Ohotkin

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: okg2000@mail.ru
31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prosp., Krasnoyarsk, 660014, Russia

V. Habarov

Siberian Federal University

79 Svobodny prosp., Krasnoyarsk, 660041, Russia

参考

补充文件