空間應用的兩相混合式步進電動機伺服控制器

葛 悅，謝寶昌，姚惟琳，苗 軍2，

(1.上海交通大學，上海200240;2.上海市空間飛行器機構重點實驗室，上海201108;3.上海宇航系統工程研究所，上海201108)

0 引 言

空間用電機主要分為步進電動機、直流電機、無刷直流電機、永磁同步電機等，本文根據工程應用及可靠性要求選用步進電動機。步進電動機又稱脈沖電機，是數字控制系統中的一個執行元件。它能將脈沖信號轉變為相應的角位移或者直線位移，就是給一個脈沖信號，電機就轉動一個角度或移動一個距離。步進電動機具有低成本、結構結實耐用、容易控制、高可靠性、幾乎無需維護等優點。

宇宙空間充滿了各種形態的物質:有各種能量的帶電粒子;有引力場、磁場和電場;有各種波長的電磁輻射?？臻g環境對產品設計的影響主要考慮以下兩方面:高能帶電粒子的輻射損傷和單粒子事件;芯片熱設計滿足產品長壽命工作要求。

文獻［1］采用高性能DSP 作為指向機構控制系統主芯片，可是DSP 器件對單粒子敏感，無法滿足空間應用可靠性要求。文獻［2］采用集成的電機驅動芯片LMD18200 構成H 全橋電機驅動電路，芯片集成度高，但是驅動電流一般1 ～3 A 范圍，芯片輻照指標無數據，且芯片熱耗集中，大電流工作時芯片溫度較高達到70℃以上，無法滿足高軌衛星長壽命、高可靠度要求。

針對上述問題，本文的步進電動機伺服控制器采用FPGA +MOSFET 驅動芯片和MOSFET 組成的H 橋式驅動電路方案，以滿足空間輻照指標及降低芯片工作溫度的要求?；诜慈劢z結構的現場可編程門陣列FPGA 為一次編程型開關元件，具有體積小、集成度高、抗輻射、抗干擾、不需外接PROM 或RPROM 的特點。MOSFET 驅動芯片IR2110 等級為宇航級，其高端側偏置電壓高(最高＜500 V)，響應速度快(ton=120 ns，toff=94 ns)，電流驅動能力強;選用具有輻照指標的MOSFET 器件，能滿足空間環境要求，并較H 橋電機驅動芯片熱耗分布均勻，解決了空間散熱問題，適合在航天上應用。

1 系統構架

本文針對兩自由度指向機構采用兩套相同的傳動鏈和角度測量組件，均由步進電動機、諧波減速器、旋轉變壓器、軸承等部件組成。

兩相混合式步進電動機參數如下:二相四拍;電源電壓(29 ±1)V;步距角1.8°;每相額定電流0.6 A;靜力矩0.15 N·m;定子繞組各相直流電阻(6 ±1)Ω。

采用多極旋轉變壓器作為位置傳感器，其參數如下:激磁方式:轉子激磁，定子輸出;激磁電壓(3.8 ±0.38)V、頻率2 400 Hz、極對數1∶ 16;輸出信號類型:正余弦;最大空載輸出電壓:粗機(2 ±0.2)V，精機(2 ±0.2)V。

指向機構伺服控制器采用FPGA +MOSFET 驅動芯片和MOSFET 組成的H 橋式驅動電路的硬件架構，采用基于旋轉變壓器的增量式位置閉環控制方法，原理框圖如圖1 所示。

圖1 衛星指向機構伺服控制器原理框圖

2 系統硬件設計

指向機構伺服控制器包含控制線路和驅動線路兩部分。其中，控制線路的主要功能是總線通信、指令解析、傳感器采集、實現步進電動機底層控制算法、電子換相控制、控制量脈寬調制輸出。

驅動線路主要功能是接收控制線路發出的斬波信號，將星載28 V 電源轉化為二相四拍步進電動機繞組所需的脈沖式供電電壓，實現電機驅動。

2.1 控制電路設計

控制系統選用ACTEL 公司的反熔絲系列芯片A54SX72A－CQ208B，該芯片資源有7.2 萬典型門(Typical Gates)，171 個I/O 口，支持5 V 供電?？紤]到可調試性，本系統實驗中使用一片ALTERA 公司的SRAM 架構芯片EPF10K50RI240，配置Flash存儲器EPC2TC32，可多次編程。

2.2 功率驅動電路設計

IR2110 是采用自舉技術以輸出同一橋臂高側與低側信號的功率MOSFET 和IGBT 專用柵極驅動集成電路［3］。它采用HVIC 和閂鎖抗干擾CMOS 制造工藝，具有獨立的低端和高端輸入通道;兼有光耦隔離(體積小)和電磁隔離(速度快，工作頻率可達500 kHz)的優點。

功率部分采用2 片IR2110 驅動4 片MOSFET構成H 橋驅動電路，如圖2 所示。IR2110 內部由三個部分組成:邏輯輸入，電平平移及輸出保護。邏輯電源電壓范圍5 ～15 V，輸出端電壓范圍10 ～20 V。懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500 V。

圖2 功率驅動電路

圖2 中，電機繞組供電電源US為28 V，邏輯輸入信號端電源Vdd為5 V，C5、C6 是自舉電容，D1、D2 是自舉二極管，C1 ～C4 是濾波電容，VT1、VT2、VT3、VT4 為功率MOSFET。考慮到試驗需要，MOSFET選用性能指標接近的2N6796 替代，其最大工作電壓為100 V，最大電流為8 A，導通電阻為0.18 Ω。當IN1 =0、IN2 =1 時，U1 的LO 端產生高電平，+12V 經過D1、C5、VT2 接地，給C5 充電;當IN1 =1、IN2 =0 時，C5 正極電壓經過IR2110 內部BJT、R1、VT1 回到C5 的負極，形成回路放電，VT1 導通，此時C5 相當于電壓源［4－5］。VT1、VT2 與VT3、VT4 皆采用互補式輸入，并且根據極性方向信號，控制MOSFET 的導通與關斷，以實現繞組電流方向的控制。

采用IR2110 及MOSFET 構成的H 橋驅動電路較傳統的斬波恒流電機驅動電路降低了約30%功耗;較LMD18200 等集成電機驅動芯片顯著降低了芯片的工作溫度，并滿足空間抗輻照要求，適應空間長壽命的工作特點。

2.3 細分驅動SPWM 控制策略

本文設計的電路采用了基于SPWM 的矢量恒幅均勻旋轉細分法，即分別給步進電動機的兩相繞組通以正、余弦電流，使合成的電流矢量(或磁場矢量)在空間均勻旋轉［2］。采用細分驅動能有效改善步進電動機運行的平穩性，減弱或消除低頻振動，提高步進電動機的轉動速度穩定度。

本文采用異步調制方式，以正弦階梯波為調制波，鋸齒波為載波進行比較，載波頻率為23.4 kHz。軟件程序設計中為避免同臂兩只開關管同時導通的短路故障，設置1 μs 的開關死區Δt。

3 運動程序設計

伺服控制器的控制功能由FPGA(可編程邏輯器件)實現，采用VHDL 語言。FPGA 的綜合、布局布線采用Altera 的集成開發環境QuartusⅡ8.1，功能仿真和時序仿真采用ModelSim 6.2。采用自頂至下的層次化設計方法，將主要功能模塊劃分為程控指令處理模塊、電機驅動模塊、旋轉變壓器讀數處理模塊、遙測通信模塊。頂層模塊完成系統與外部信號的接口定義與連接;完成系統內部各子模塊之間的信號互連處理，例化各子模塊;完成FPGA 器件的對外所有管腳定義和內部狀態定義?？刂葡到y總體結構原理框圖如圖3 所示。

圖3 FPGA 控制器功能模塊結構示意圖

指向機構伺服控制系統工作原理如下:用戶通過16 位并行數據命令，進行電機工作模式設定，包括驅動模式、零位修正模式、歸零模式和急停模式四種，模式信號送入多路開關完成模式選擇。驅動模式下根據轉速與步距角的關系，產生與轉速相對應頻率的脈沖，根據方向信號及更新的細分號，讀取正/余弦表中對應的數據，并對讀取的正余旋調制波數據與三角波發生器比較，輸出SPWM 脈寬調制信號，從而控制兩相混合式步進電動機運轉。

3.1 電機驅動頂層模塊

電機驅動模塊包括更新模式指令模塊及產生細分斬波模塊。程控指令處理模塊的輸出是本模塊的輸入控制信號，根據工作模式獲得速度的定時細分數和占空比，產生驅動電機的PWM 斬波信號信號。

本模塊功能包含更新電機驅動參數、產生細分驅動時鐘、輸出正弦波細分值和輸出PWM 斬波信號4 個功能。

3.2 更新速度指令模塊設計

本模塊根據通信處理模塊產生的電機速度信號，通過查找表的方式獲得該速度信號對應的電機定時細分寄存器的值和占空比值更新內部的速度值、占空比值、停轉標志等;根據更新后的內部寄存器，輸出相應的細分時鐘、占空比、停轉標志等。

本模塊為步進電動機頂層模塊例化使用，輸出作為產生細分斬波模塊的輸入。

3.3 產生細分斬波模塊設計

本模塊根據更新速度指令模塊輸入的細分時鐘、占空比、轉動方向和停轉標志，讀取正/余弦表中對應的數據，并對讀取的數據進行SPWM 斬波，輸出SPWM 信號和SD 使能信號。本模塊為步進電動機頂層模塊例化使用。

正弦波采用256 點正弦表表示，且最大值設定為255，即采用8 bits 表示;SPWM 斬波采用頻率23.4 kHz 的鋸齒波，最大值為2 048，即采用11 bits表示;SPWM 信號輸出采用寄存器同步。以A 相繞組驅動波形為例，波形仿真圖如圖4 所示。其中fraclk 為細分驅動信號，pwm_count 為三角載波信為余弦調制波數據表，dira 為方向信號，sinoutput 為正弦調制波數據表，cosoutput 為余弦調制波數據表，pwmphase_a［0］為VT1 管柵極輸入波形，即圖2 中IN1 信號，pwmphase_a［1］為VT2 管柵極輸入波形，即IN2 信號，pwmphase_a［2］為VT3 管柵極輸入波形，即IN3 信號，pwmphase_a［3］為VT4 管柵極輸入波形，即IN4 信號。

圖4 電機產生細分斬波模塊仿真圖

3.4 讀取旋轉變壓器數據模塊設計與實現

本模塊采集兩個旋轉變壓器的數據，根據耦合方式處理旋轉變壓器數據，并將旋轉變壓器數據提供給程控指令處理模塊。頂層模塊通過例化本模塊，實現采集位置的功能。

本文采用極對數為1∶ 16 的雙通道多極旋轉變壓器，粗、精速比為1∶ 16，即粗通道轉動1 圈，精通道將轉動16 圈［6］，因此粗機的第5 位應與精機的第一位對齊。

在粗精數據組合中，由于粗精機械軸的傳動誤差、減速器誤差、傳感器裝配誤差及雙軸復合裝配誤差，以及R/D 轉換器精度，使得粗精讀數組合時，需將精機數據與粗機數據進行耦合糾錯處理。本文以粗機的低2 位用于和精機的高兩位進行耦合，即根據精通道的最高兩位(定義為J1、J2)與精通道權值相同的粗通道的對應兩位(定義為C5、C6)，判斷出是否要對糾錯位(粗通道中權值比精通道最高位高一位的數據位)進行糾錯。糾錯邏輯可用下式表達:如果J1J2 =00 且C5C6 =11，則C1C2C3C4 +1;如果J1J2 =11 且C5C6 =00，則C1C2C3C4－1。最后把經過糾錯的粗通道高4 位數據和精通道數據直接組合即可。數據補償流程圖如圖5 所示。

圖5 粗精機數據耦合補償圖

4 試驗結果

利用ROMER 公司的關節臂INFINITE 2.07 軸測量系統測試指向機構的指向精度，測試現場如圖6 所示。關節臂是關節臂測量儀和便攜式三坐標的一種簡稱。測試結果見表1 所示。試驗結果表明該系統采用基于旋轉變壓器的增量式位置閉環控制方法，電機運轉平穩，較開環控制定位精度高。

圖6 指向機構精度測試

表1 指向機構指向精度測試結果

5 結 語

本文針對空間應用指向機構的兩相混合式步進電動機，采用基于旋轉變壓器的增量式位置閉環控制方法，設計并實現了FPGA+MOSFET 驅動芯片和MOSFET 組成的H 橋式驅動電路構成的指向機構伺服控制器。同時，選用ACTEL 公司的反熔絲系列芯片A54SX72A－CQ208B 以及有輻照指標的MOSFET 適合航天抗輻照及高可靠性要求。實驗結果表明，基于MOSFET 驅動芯片IR2110 構成的H 橋驅動電路，實現了細分的SPWM 控制，能夠有效地構建機構驅動過程的位置閉環控制系統。該控制系統具有線路簡單、定位精度高、有效降低芯片溫度、性能穩定的特點，適用于航天空間輻照環境及高可靠性、長壽命的要求。

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