【摘 要】
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在小行星探测中,探测器的附着锚固采样技术对于小行星原位科学探测和资源开发利用具有重要意义。本文以冲击式超声波钻探器在小行星探测器附着锚固过程中的应用为背景,结合航天环境的应用要求,以适应空间环境的复杂性、具有抗空间辐照能力、能够实现对冲击式超声波钻的稳定驱动为目标,研制以航天母线DC 28 V作为供电输入、输出功率不高于200 W、基于可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gat
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目——面向小行星锚固的双能量流驱动超声波钻探器作动机理研究（项目编号:51975139）; 中国空间技术研究院预先研究项目
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在小行星探测中,探测器的附着锚固采样技术对于小行星原位科学探测和资源开发利用具有重要意义。本文以冲击式超声波钻探器在小行星探测器附着锚固过程中的应用为背景,结合航天环境的应用要求,以适应空间环境的复杂性、具有抗空间辐照能力、能够实现对冲击式超声波钻的稳定驱动为目标,研制以航天母线DC 28 V作为供电输入、输出功率不高于200 W、基于可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）控制的冲击式超声波钻驱动器。设计驱动器的前提是分析冲击式超声波钻的工作原理,分析超声波钻在驱动信号作用下,将电激励信号转化成机械振动的能量转化过程。建立相应的等效电路模型,从等效电学参数角度,分析超声波钻换能器的阻抗特性,研究超声波钻换能器在不同负载条件下的阻抗特性,得出驱动器的谐振工作位置。基于超声波钻换能器的负载特性,建立了驱动器和超声波钻之间具有较好适应性的特性匹配网络。为了获得超声波钻所需的频率可变、高频高压正弦驱动信号,需要按照不同的功能要求,进行驱动器硬件电路的模块化设计。在直流升压模块中,以DC 28 V为输入条件,进行了DC 100 V输出的开关型稳压源设计;为满足低功率输出要求,设计了低压驱动信号控制的半桥驱动模块;设计了能够实时采集超声波钻阻抗特性参数的信号采集模块,并进行实时的监测显示;构建了具有阻抗匹配和调谐匹配作用的特性匹配模块,保证能量的有效传输。为适应冲击式超声波钻在钻进工作时的谐振状态漂移现象,维持谐振工作状态的动态稳定,需要设计基于FPGA的驱动器谐振控制方法。设计了自动扫描谐振频率控制方法和具有数字锁相功能的频率跟踪控制方法,实现了驱动器开机自动扫描超声波钻谐振频率和实时跟踪调节谐振频率的功能。以FPGA为载体,设计各控制阶段的逻辑单元,并进行功能仿真,验证了控制程序的有效性。在驱动器硬件结构和控制程序设计的基础上,进行驱动特性试验测试。完成了换能器驱动时的端面振幅特性测试试验,测试得到换能器端面在驱动控制下可以达到±30μm以上的机械振幅并维持稳定振动。进行了常温常压环境下不同模拟星岩样本的冲击式超声波钻进试验和高低温环境下的钻进试验,试验结果表明,冲击式超声波钻以硬砂岩为钻进对象时,驱动器功率消耗在70 W左右,可以实现20mm/min以上的稳定钻进效果。
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