空間遙感相機的指向控制系統設計

趙麗婷，張曉敏，耿振華，林喆

(北京空間機電研究所 相機控制技術研究室，北京 100094)

空間遙感相機的指向控制系統設計

趙麗婷，張曉敏，耿振華，林喆

(北京空間機電研究所 相機控制技術研究室，北京 100094)

設計了一個基于FPGA的指向控制系統，可控制遙感相機鏡頭快速跟蹤角度指令。指向控制系統實現了角度位置控制、轉向速度控制和平穩調速等功能。本系統采用步進電機作為角運動執行機構；使用FPGA生成電機控制驅動信號，從而簡化了電機控制系統構成，降低了系統成本。指向控制系統因模塊化設計可靈活應用于多種場合。

指向控制系統；空間遙感相機；FPGA；步進電機；A54SX72

引 言

空間遙感相機鏡頭根據多種成像需要，鏡頭按預先設計好的某類速度軌線作一定角度的轉向運動，從而改變不同時間條件下的位置以支持成像需求。空間遙感相機指向機構是相機的一個關鍵部件，主要功能為實現衛星在軌飛行過程中，在一段固定時間內對地面上某一區域進行精確指向跟蹤，并將光線引入鏡頭內。指向控制系統能夠控制指向機構按預設的擺動路線運動，完成預設成像功能。指向系統機械結構如圖1所示。

圖1 指向系統機械結構

本文介紹了一種基于FPGA的指向控制系統設計，采用步進電機作為轉向運動執行機構，使用FPGA作為控制器計算、輸出步進電機驅動信號。指向系統滿足指向精度±0.04°的要求，系統轉角范圍達到-35°～+57.5°，步進電機最大運行速度為1 075 pps。

指向系統選用步進電機結合諧波減速器作為轉向運動執行機構。步進電機體積小、定位精度高，無旋轉量的誤差累積，運行頻率高，動態特性好，其控制方式簡單、可靠。電機的位置控制由脈沖指令的總數決定，而電機運行速度與脈沖頻率pps成正比，因此可以依照電機特性，預設計一條角加速度曲線，推算相應的脈沖指令以控制相機鏡頭運動軌線。

1 指向系統的硬件設計

1.1 硬件系統結構組成

指向控制系統由FPGA控制電路、步進電機驅動電路、步進電機、旋轉變壓器、旋變解算電路、接口電路及配電電路組成。指向控制系統內部設備與外部設備(上位機)的連接關系如圖2所示。

圖2 指向控制系統硬件連接圖

FPGA通過同步串行總線遙控接口接收上位機總線指令；通過同步串行總線遙測接口接收上位機的總線遙測輪詢；FPGA接收旋轉變壓器解算電路輸出的電機實時位置信息，實時測量電機位置；FPGA搭載運動控制算法計算并輸出A、B、C、D四相變頻驅動信號給電機驅動電路，驅動電機轉動；配電電路由上位機輸入一次電源，經轉換電壓后給FPGA和電機驅動電路供電。

1.2 器件選型

FPGA作為步進電機的控制芯片，可實現接收/發送三線遙控指令、接收旋變角度數據信息、解算并輸出步進電機脈沖驅動信號、控制電機轉向等功能。完成以上功能并不要求FPGA芯片含有大量的可編輯邏輯單元，一般規模的FPGA芯片皆可滿足設計要求。本文FPGA選用ACTEL(現被Microsemi收購)公司A54SX72A-1CQ208M型號FPGA，速度等級為-1,門數為72 000，PQFP封裝，時鐘頻率為20 MHz，功耗小于1 W，安全可靠性高。

旋變解算電路使用AD2S80將旋轉變壓器產生的含有角度位置信息的模擬信號解算、輸出為數字信號，等待控制器FPGA讀取；角度測量元件選用旋轉變壓器，該旋變類型為雙通道無刷旋變，角度測量誤差為≤±40″，極對數為粗機 1對極，精機 16對極。旋轉變壓器以及解算電路實現了對電機角度位置的測量。

選擇功率步進電機型號時，首先要計算機械系統的負載轉矩，矩頻特性曲線能滿足機械負載并有一定的余量，可保證其運行可靠。電機矩頻特性如圖3所示。

圖3 電機矩頻特性曲線

在實際工作過程中，首先估算機械負載的負載慣量，同時應使步距角和機械系統匹配，這樣可以得到驅動部件所需的脈沖當量。在電機運行時，各種頻率下的負載力矩必須在運行矩頻特性曲線(見圖3(b))的范圍內，使電機最高速連續工作頻率能滿足驅動部件快速移動的需要[4]；而在電機啟動時，啟動頻率應該既滿足裝備要求，又能負擔機械負載轉矩，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量(見圖3(a))。運行頻率等同電機運行速度，因而不同啟動頻率或運行頻率下的最大轉矩曲線，決定了當前速度可獲取的最大加速度，相關算法下文詳細闡述。

本文指向系統選用J47BH001型混合式步進電機搭配諧波減速器，其主要技術參數如表1所列。

表1 步進電機的主要技術指標

本文設計的步進電機驅動機構，采用50倍變比的諧波減速器作為減速機構，當步進電機以1.8°的步距角步進時，最大的指向誤差為步進電機和目標角度相差的半個步距角，即指向誤差為1.8°/50/2=0.018°，滿足±0.04°的指向精度要求；步進電機最大運行速度為1 075 pps；傳動效率≥65%。

2 步進電機的加減速運動設計

步進電機加速轉矩計算公式如式(1)所示:

(1)

(2)

式中f1為加速前頻率，f2為加速后頻率，ta為加速時間，θS為電機步矩角。

指向機構的轉動慣量J=2.8×10-2/K2(kgm2), 其中K=50，為轉動軸的減速比。驅動脈沖長度為c1=f/f1,c2=f/f2，其中c1為上一步脈沖計數，c2為下一步脈沖計數，f為FPGA運行頻率。

步進電機驅動負載按預計的速度啟動，若驅動速度超過電機啟動最大脈沖頻率600，則不能啟動。因此采用緩慢加速減速的驅動方式使速度線性增加。加減速運動的設計步驟為：

① 首先根據圖3的啟動矩頻特性曲線及電機啟動速率要求來確定啟動頻率，指向控制系統設計的步進電機最大運行速度為1 075pps，等價于電機啟動頻率為1 075Hz。由圖3可知，步進電機無法直接按1 075pps速度起動，本文選定200；

② 參照電機特性參數(負載轉矩、轉動慣量等)、電機預計最高轉速、電機運行最大角度/時間信息和運行矩頻特性曲線，規劃加速轉矩曲線；加速曲線設計在保證技術要求的基礎上，電機驅動力矩裕度大于3，本文設計的電機在不同速度下所需的加速度轉矩計算結果如圖4所示。

圖4 電機加減速轉矩曲線

③ 然后參照加速轉矩曲線使用式(1)、(2)計算電機加速度曲線和速度曲線。本文設計的加減速過程如圖5所示。

圖5 步進電機加減速時間頻率曲線示意圖

在指向控制器的各種工作模式中，步進電機每次旋轉的角度是隨機的。本文為步進電機按照最大運行角度規劃出一條加減速曲線，加速過程與減速過程步數一致，頻率變化規律一致，加速過程完畢后按當前最大轉速繼續運行至減速過程。不同運行步數情況下的加減速速度切換都使用圖6所示的加減速曲線，不同步數的加減速曲線規劃區別在于開始進行減速的步數不同。

圖6 加減速切換曲線示意圖

3 FPGA軟件設計

本文中指向控制系統的軟件設計流程如下：首先使用Actel Libero建立工程，采用VHDL語言編寫FPGA代碼，代碼檢查無誤后使用modelsim進行功能仿真測試，代碼通過驗證后再使用synplify pro對工程做綜合優化、布局布線和時序分析，待生成網表文件和SDF文件后，在modelsim中做帶時延的系統后仿真。最后仿真測試過的VHDL代碼經過編譯后產生配置文件并下載到FPGA中。

FPGA軟件工作流程如圖7所示，功能如下：FPGA上電后開始工作，初始化、復位操作；禁止電機使能，鎖定電機運動；接收上位機三線串行遙控指令；解析指令分析出步進電機角度運動指令；接收旋變解算電路輸出的電機實時位置角度信息；與此同時電機實時位置信息和所需運動角度信息輸入至電機控制信號計算模塊，按規劃好的加減速曲線計算實時脈沖，生成步進電機驅動信號，之后輸出電機控制驅動信號；給上位機發送實時遙測的角度信息。

圖7 FPGA軟件工作流程

步進電機在低速時用電流閉環控制，高速時用步矩角反饋控制。控制信號計算流程如圖8所示。

圖8 控制信號計算流程

FPGA算法如下：

① FPGA定時讀取旋變解算電路輸出的步進電機實時角度信息angle；定時讀取上位機發送的三線指令信息，解析后得知電機所需運行角度信息step；根據angle和step信息計算當前指令步數step2，如下所示：

(3)

其中，step為解析模塊輸出的電機運行步數指令，angle為電機實時角度位置，θs為電機步矩角，如果步進電機采用四相八拍的控制方式，θs=1.8°/2，K為減速比。

FPGA設計精確到0.02°的帶小數位乘法，算法設計思路如下：因角度指令的最大值在1000°以內，使用16位二進制數表示角度信息，其中整數位11位，用補碼表示負角度；使用5位表示小數位，精度滿足0.02°；步矩角為1.8°，1/1.8°計算值選取0.555 6，即滿足精度，選取14位寬度表示步矩角倒數的小數位，精度可達0.000 1；使用quartus中的MegaWizard Plug In Manager生成16位×14位 lpm_mult乘法器元件。

② 計算所需運動方向dir，如下所示：

(4)

③ 假設設計的加速、減速過程分別是N步，計算減速前的總步數step1，如式(5)所示：

(5)

INT表示對數據向下取整。

④ 根據step1和step2計算每一步脈沖驅動信號的計數值：脈沖寬度計數值按加速過程順序存入ROM中,如圖9所示，ROM選用FPGA的LPM庫包含的lpm_rom元件。數據寬度為16位，深度取加速過程N步，脈沖寬度計數值的取值地址address寬度為INT[log(2)]。

圖9 脈沖寬度計數曲線

脈沖寬度計數值取用算法為：ifnow_step

elsifnow_stepN ，then address <= address;

elsifnow_step>step1 and now_step

elsifnow_step>step2 ，then address <= address;

now_step為當前步數計數值，初始值now_step=0；正確生成一個脈沖數據后，now_step+1；當now_step>step2時，將now_step置零；

⑤ 查找當前狀態機狀態，對應驅動引腳生成脈沖信號：步進電機采用四相八拍控制方式，運動分正反兩方向，正向運動時定子通電順序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，對應狀態機正向反向順序的8種狀態，對應A/B/C/D四相驅動脈沖輸出值為“1000”-“1100”-“0100”-“0110”-“0010”-“0011”-“0001”-“1001”，其中1表示通

電狀態，0表示斷電狀態，初始狀態以及終止狀態的四相取值為“0000”。FPGA查找當前狀態機狀態值后，按上一步取出的脈沖寬度計數值計數，輸出A/B/C/D四相驅動相應寬度的脈沖。

編寫好控制模塊相關算法的VHDL代碼后，在modelsim中為步進電機控制模塊編寫testbench，輸入跟蹤運動角度為1219°，電機跟蹤運動經歷加速、勻速再減速的過程。控制模塊計算得到step1=654，step2=677。步進電機A/B/C/D四相八拍驅動信號的脈沖寬度與預設脈沖寬度曲線一致，如圖10所示。

圖10 步進電機四相驅動信號

4 指向系統驗證結果

搭建好指向控制系統，連接各器件通信回路。A/B/C/D四相驅動信號輸出至功率驅動電路驅動步進電機作正反向運動。步進電機對上位機角度指令跟蹤情況如圖11所示。實驗結果表明，系統的控制性能滿足設計要求，最大運行速度為1 075 pps，跟蹤677°角位置指令，使用時間在0.3 s以內，共行進376步。

圖11 電機角度指令跟蹤情況

結 語

[1] 貢亞麗,王文明.FPGA在步進電機控制中的應用[J].電子技術, 2009,11(36):11-12.

[2] 坂本正文.步進電機應用技術[M].北京：科學出版社,2010.

[3] 張桂榕,李光燦,潘積文.步進電機脈沖控制信號到頻率控制字的轉換[J].現代電子技術,2012,35(17):177-179.

[4] 王天云,陳秋菊.基于FPGA的步進電機控制器設計[J].艦船電子對抗,2013,36(2):104-109.

[5] 肖龍,楊佩君,湯恩生.基于軟件鎖相環的電機速度控制系統[J].航天返回與遙感,2006,27(3):41-46.

趙麗婷(工程師)，主要從事遙感相機機電控制、遙感相機圖像跟蹤處理相關工作。

Tracking and Pointing Control System of Remote Sensing Camera

Zhao Liting,Zhang Xiaomin,Geng Zhenhua,Lin Zhe

(Camera Control Technology Laboratory,Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity,Beijing 100094,China)

In the paper,a high-speed tracking and pointing control system of camera is designed based on FPGA.The system can control the remote-sensing camera lens moving accurately and flexibly.The system has the function of control angle position,control speed and stable speed regulation.The step motor is used to be the actuator.The structure of motor control system is simplied through using the FPGA.The modular system can be widely used in various fields.

point control system;remote sensing camera;FPGA;step motor;A54SX72

TP273.5

A

?士然

2017-02-06)