空間照明雙軸指向機構伺服控制器設計與實現

魏志明, 馬動濤, 崔連杰, 唐文華

(蘭州空間技術物理研究所， 甘肅 蘭州 730030)

空間照明雙軸指向機構伺服控制器設計與實現

魏志明, 馬動濤, 崔連杰, 唐文華

(蘭州空間技術物理研究所， 甘肅 蘭州 730030)

針對空間照明雙軸指向機構伺服驅動需求，提出了長壽命、高可靠兩相混合式步進電機伺服控制器方案。該控制器以高可靠MCU作為主控電路，利用LM555時基電路、比較器LM139以及數模轉換器AD7228組成正弦細分斬波恒流驅動電路，通過集成H橋電路LMD18200實現對電機功率輸出。為實現指向機構閉環控制，以基于旋轉變壓器的測角元件為采集對象，選用OSC-15801及AD2S80A作為勵磁和角度采集電路實現指向機構角度測量。此控制方案具有轉動機構低速控制平穩，無低頻振蕩現象，控制簡單、可靠等特點，可滿足長壽命、小體積的空間雙軸低速指向機構控制。

步進電機； 空間應用； 細分； 恒流斬波

0 引 言

空間照明雙軸指向機構被應用于航天器艙外作業照明需求中，當航天員或機械臂在航天器背陽區進行艙外作業時，空間照明雙軸指向機構根據接受的總線轉動指令，帶動指向機構的照明燈完成方位、俯仰兩個方向的大范圍轉動照明任務。指向機構由2個轉動關節及其支架組成，每個關節最高轉速均為5°/s，且根據速度擋位確定為勻速運動方式。

指向機構轉動關節由2套相同的傳動鏈組成，每套傳動鏈包括電機、星形減速器、旋轉變壓器及軸承等部件。由于步進電機具有自保持力矩、無累積誤差、易于開環控制等特點，轉動關節驅動部件選用兩相混合式步進電機實現，電機參數如下： 兩相混合式步進電機、二相四拍、(28±3) V供電電壓、1.8°步距角、相額定電流1A，靜力矩0.35N·m，最高帶載起動頻率120Hz，減速器速比為27∶1，最高工作運行頻率75Hz(對應指向機構關節轉動速度5°/s)。

本文針對空間照明雙軸指向機構應用特點，提出一種只需MCU作為主控電路的伺服控制器，可使空間雙軸轉向機構在滿足功能要求下所需的控制方案簡單、可靠，從而充分滿足了空間產品應用需求。

1 控制器方案

空間照明雙軸指向機構電機驅動方案由主控制器選型、控制方式、功率驅動方案以及位置控制策略決定。

(1) 控制器選型。空間指向機構伺服控制器的主控制器選型尤為關鍵。工業領域中一般采用資源豐富、計算性能優越的高性能DSP、FPGA或MCU+FPGA實現。高性能DSP和大規模SRAM型FPGA對單粒子敏感，無法適應空間產品長期在軌應用要求；反熔絲FPGA具有良好的空間環境適應能力，但是一次燒錄，資源有限等，也不適用于本文雙軸伺服驅動需求；以MCU+反熔絲FPGA架構可充分滿足適應空間環境的負責機構控制應用需求，但兩套軟件帶來了軟件管理復雜性，也不是最佳選型方案。本文空間照明雙軸指向機構運動速度較慢，電機環形分配器脈沖進給時間約為16ms，空間應用較為普遍的80C32單片機可直接由I/O口輸出進給脈沖。因此本文提出了基于80C32的空間照明雙軸指向機構電機驅動的主控器。此方案滿足空間產品高可靠、低功耗、小體積要求，且采用了宇航級80C32處理器具備空間環境下的長壽命工作能力。

(2) 控制模式。由于電機工作頻率60Hz遠低于電機300Hz起動頻率，且指向機構運行模式為勻速轉動，因此伺服控制器無需加減速起停控制，在滿足起動力矩情況下，可直接由工作頻率起動運行。

(3) 電機功率驅動方式。采用恒流斬波驅動結合細分驅動方式[1-3]。恒流斬波驅動技術具有各相斬波頻率相同、高頻運行時電流平滑、易于消除音頻噪聲、電機運行平穩等，是目前普遍采用的步進電機驅動方式；細分驅動是將電機進給繞組中額定電流形成多個穩定中間態，以實現將一個步距角分成若干步的方法，有效改善步進電機低頻特性，也提高步進精度，在恒流斬波驅動基礎上采用細分驅動技術可有效控制本文指向機構電機低頻運行振動問題。

(4) 位置控制策略。由于指向機構的步進電機、減速器均存在誤差，尤其減速器機械誤差不可避免地存在，因此在指向機構位置控制通過采集指向機構輸出軸角位移傳感器當前角度與預定目標的回差比較，實現指向機構的位置閉環控制。此方案適用于空間照明指向機構類的低速系統，相比于復雜的基于PID調節的位置控制，控制方案簡單，減輕了CPU的運算負擔。

2 控制器組成

如圖1所示，空間照明雙軸指向機構伺服控制器由MCU(80C32)、斬波恒流電路、電壓細分電路、功率驅動級組成。通過RS- 422串行總線接受上位機傳送的雙軸轉動機構速度和方向指令，將兩相繞組正(或反)轉的細分數據從程序存儲器中取出，輸出至D/A數模相應電機兩繞組通道中，實現相電壓的正弦波模擬電壓輸出。該模擬電壓接至由電壓比較器LM139和時基電路LM555設計的單穩態觸發器組成恒流斬波電路，完成電機恒流斬波驅動的PWM生成。其中，電壓比較器主要完成對D/A輸出的細分電壓(該電壓作為參考電壓)與功率放大器LMD18200取樣電阻的電流檢測電壓的比較。當AD7228相應通道輸出的模擬電壓小于功率驅動H橋電路LMD18200采樣端檢測的電流對應的電壓時，表明功率放大器輸出的電流大于設定電流，電壓比較器的輸出由高電平變為低電平，觸發單穩電路輸出低電平脈沖，關斷功率放大器的輸出；隨著感性繞組中的電流逐漸減小，當采樣端電流檢測電壓值減小到細分電壓表輸出當前值時，比較器輸出由低電平變為高電平，觸發單穩電路輸出正脈沖，開起H橋上下橋為繞組供電。這樣反復供電即可實現對繞組細分臺階電流的斬波恒流驅動。另外，單片機通過P1口輸出脈沖電平至LMD18200的電流方向，實現對步進電機環形分配器脈沖進給。本文采用的電路均為高等級芯片，以保證其空間高可靠性運行。

3 電路設計

3.1 細分驅動電路設計

3.1.1 細分驅動原理

兩相混合式步進電機的電位角示意圖如圖2所示，I為細分后A相和B相之間的中間態電流矢量，根據細分數的不同，電位角α可以量化成不同角度[1]。

圖1 空間雙軸指向機構伺服控制器組成

(1)

式中：α——電位角，α=k·90°/m，k= 0，1，2…；

m——細分數。

圖2 電流矢量恒幅均勻旋轉示意圖

八細分驅動電壓表輸出波形如圖3所示，4細分、16細分以及32細分可參照執行。圖3中，IA為電機A相繞組電流，UA為電機A相方向控制信號，即環形分配脈沖信號。

圖3 八細分驅動波形

3.1.2 細分驅動電路

步進電機細分驅動電路是基于電流矢量恒幅均勻旋轉實現，其硬件框圖如圖1所示。它由單片機、D/A 轉換器、鋸齒波發生器、比較器、功率驅動器等組成。單片機80C32將程序存儲器存放的細分驅動電壓輸出至D/A轉換器，D/A將轉換好的模擬電壓輸出至恒流斬波電流，實現細分電壓D/A轉換。考慮到空間產品小體積、控制簡化等需求，相比于文獻[2]中才用到AD558單通D/A，選用AD公司8位、8通道D/A轉換電路AD7228更能節省空間及簡化控制。在一片AD7228芯片上可實現4路兩相步進電機細分電壓轉換。80C32通過對片選地址的讀寫即可完成D/A數據庫轉換。采用AD公司電壓AD584實現D/A的+5V基準源，供電方式采用單電源 +12V 供電。電原理圖如圖4所示。

3.2 恒流斬波驅動電路

斬波恒流驅動電路由LM555、LM139等電路組成，電路原理圖如圖5所示。LM139主要完成比較D/A轉換器的輸出細分電壓(該電壓作為參考電壓)和來自功率放大器LMD18200輸出電流取樣電阻的電流檢測電壓。如果電流檢測電壓大于參考電壓Uref，意味著功率放大器輸出的電流大于設定電流，電壓比較器的輸出由高電平變為低電平，觸發單穩電路輸出負脈沖，關斷功率放大器的輸出。

圖4 AD7228電原理圖

單穩態電路采用時基電路LM555，脈沖寬度由外接電阻R7、電容C5決定。它主要為功率放大器提供固定關斷時間，固定關斷時間為1.1RC。在該關斷時間內，繞組斷電，繞組電勢立即反向，儲存在繞組中的能量經續流二極管泄放，其衰減時間常數為L/R，L為繞組電感，R包括繞組電阻和續流二極管的正向導通電阻等。當固定關斷時間結束，單穩態電路輸出高電平，繼續打開功率放大器，繞組輸出電流上升；當超過額定值，經電壓比較器觸發單穩電路輸出固定關斷時間，使繞組電流下降；如此反復，實現恒流斬波。

圖5 斬波恒流功率驅動電路

3.3 恒流斬波驅動電路

空間指向機構選用LMD18200作為H橋驅動電路。它是一款專用于電機控制的H 橋芯片，是高質量等級產品。該芯片在片上集成有COMS控制電路和DMOS功率器件，工作電壓高達 55V，峰值輸出電流可以達到6A，連續輸出電流3A，同時具有溫度報警和過熱與短路保護功能。LMD18200末級H橋柵極驅動電壓上升時間典型值為20μs，適用于工作頻率約1kHz的情況。如果要求更高開關工作頻率，需要外接自舉電容。推薦用兩個10nF電容分別接在輸出1 腳和自舉1腳、輸出2腳和自舉2 腳之間，使柵壓上升時間在100ns以下，允許開關工作頻率達500kHz。本文選用電機驅動頻率10kHz，因此此處應接自舉電容。

LMD18200的8腳為感應電流輸出端，用以得到電機線繞組的反饋電流。其輸出的感應電流值為377×I繞組，單位為μA，其中I繞組為OUT1與OUT2之間的繞組電流大小。感應電流通過采樣電阻R4后轉換成采樣電壓USENSE=ISENSE×R4。采樣電壓USENSE與參考電壓Uref比較后輸入LM555 搭建的單穩態電路。其作用是當采樣電機USENSE小于參考電壓Uref時，LM555 單穩態電路輸出為高電平；當采樣電壓USENSE大于參考電壓Uref時，LM555 單穩態電路輸出為低電平(持續時間Toff由外圍電阻R6和電容C4決定)。最后將該輸出信號連接到LMD18200 的PIN5。上述過程實現了電流的恒流斬波控制。可以通過調節參考電壓Uref或者采樣電阻R4來設置電機線繞組電流I繞組的大小。其計算公式如式(2)所示。

(2)

圖6為LMD18200 的方向信號、輸出電壓及電流波形，其中，關斷時間與LM555 定時器外圍的RC值有關，Toff=1.1R6C4。

這里，還要將方向信號及時發送給LMD18200的方向信號端，才能保證在H橋的某一路繞組的電流信號和細分驅動脈沖方向一致，采用80C32的P1口完成。

圖6 LMD18200的方向信號、電壓輸出以及繞組電流波形

3.4 旋變位置采集電路

如圖7所示，無刷旋變發送機需一臺激勵電源提供7V、5kHz交流激磁信號，輸出峰值約3V兩路正余弦信號(相位相差180°)，這兩路信號的峰值電壓差表示當前角度。由于是模擬信號，控制邏輯無法直接獲取信息，需要將模擬信號轉換為數字信號，才能采用集成旋變到數字轉換器實現。

圖7 旋變采集原理框圖

激勵電源采用DDC公司旋變參考晶振OSC15801實現，主要參數如下： ±12V供電、400Hz～20kHz可編程頻率輸出7V電壓輸出。旋變到數字轉換器采用AD公司AD2S80，主要參數為±12V供電，50Hz～20kHz、1～8V參考輸入，16bit 轉換精度。

4 試驗驗證

圖8為8細分時實測的單相繞組電流波形圖。試驗證明，細分電路能較好地提高步進電機轉動的連續性，尤其是能很好地改善步進電機低頻下的振蕩現象。

圖8 八細分單相電流波形圖

由于電機繞組為感性負載，本身具有對電流的平滑作用，所以從圖8可看出，8細分時繞組電流就已經呈現出近乎標準的正弦波形。

5 結 語

本文根據空間照明雙軸指向機構功能需求，開展了伺服驅動器設計，其主要特點是： 控制器結構緊湊、可靠，控制方案簡單、易行，尤其適用于空間飛行器體積小、重量輕、功耗低的應用場合。因此，此方案可作為空間低速雙軸指向機構及其他基于步進電機的空間伺服控制系統中。

[1] 蔣范明,韓昌佩.空間應用的兩相混合式步進電動機細分電路設計[J].微特電機，2012，40(2)： 74-76.

[2] 張軍,葛悅.劉超.一種高效的兩相步進電機控制技術[J].計算機測量與控制,2012,20(8)： 119-121.

[3] 王曉明.電動機的單片機控制[M].北京： 北京航空航天大學出版社,2015.

Design and Implementation of Space Lighting Biaxially Pointing Mechanism Servo Controller

WEIZhiming,MADongtao,CUILianjie,TANGWenhua

(Physical Institute of Lanzhou Space Technology, Lanzhou 730030, China)

Steering mechanism for space lighting biaxial servo drive demand put forward long life, high reliability two-phase hybrid stepper motor servo controller program. The controller with highly reliable MCU as the master circuit, time base circuit use LM555, LM139 comparator and DAC AD7228 sine segments consisting chopper constant current drive circuit, through integrated H-bridge circuit LMD18200 achieve the motor power output. Pointing mechanism for the realization of closed-loop control, based on the angle measuring device resolver to collect objects, used OSC-15801 and AD2S80A as the excitation point and angle of collection agencies angle measurement circuits. This control scheme has a rotating mechanism smooth low-speed control, no low frequency oscillation phenomenon, control was simple, reliable, could meet the long life, small size, low spatial point biaxial mechanism control.

stepping motor; space application; subdivision; constant current chopper

魏志明(1978—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為空間電子技術、空間機電一體化技術。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)02- 0013- 05

2016-06-15