空間照明雙軸指向機構(gòu)伺服控制器設(shè)計與實現(xiàn)

魏志明, 馬動濤, 崔連杰, 唐文華

(蘭州空間技術(shù)物理研究所， 甘肅 蘭州 730030)

空間照明雙軸指向機構(gòu)伺服控制器設(shè)計與實現(xiàn)

魏志明, 馬動濤, 崔連杰, 唐文華

(蘭州空間技術(shù)物理研究所， 甘肅 蘭州 730030)

針對空間照明雙軸指向機構(gòu)伺服驅(qū)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(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7228組成正弦細分?jǐn)夭ê懔黩?qū)動電路，通過集成H橋電路LMD18200實現(xiàn)對電機功率輸出。為實現(xiàn)指向機構(gòu)閉環(huán)控制，以基于旋轉(zhuǎn)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(xiàn)指向機構(gòu)角度測量。此控制方案具有轉(zhuǎn)動機構(gòu)低速控制平穩(wěn)，無低頻振蕩現(xiàn)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(gòu)控制。

步進電機； 空間應(yīng)用； 細分； 恒流斬波

0 引 言

空間照明雙軸指向機構(gòu)被應(yīng)用于航天器艙外作業(yè)照明需求中，當(dāng)航天員或機械臂在航天器背陽區(qū)進行艙外作業(yè)時，空間照明雙軸指向機構(gòu)根據(jù)接受的總線轉(zhuǎn)動指令，帶動指向機構(gòu)的照明燈完成方位、俯仰兩個方向的大范圍轉(zhuǎn)動照明任務(wù)。指向機構(gòu)由2個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)及其支架組成，每個關(guān)節(jié)最高轉(zhuǎn)速均為5°/s，且根據(jù)速度擋位確定為勻速運動方式。

指向機構(gòu)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)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(zhuǎn)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(huán)控制等特點，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)驅(qū)動部件選用兩相混合式步進電機實現(xiàn)，電機參數(shù)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(yīng)指向機構(gòu)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動速度5°/s)。

本文針對空間照明雙軸指向機構(gòu)應(yīng)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(zhuǎn)向機構(gòu)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(chǎn)品應(yīng)用需求。

1 控制器方案

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

(1) 控制器選型?？臻g指向機構(gòu)伺服控制器的主控制器選型尤為關(guān)鍵。工業(yè)領(lǐng)域中一般采用資源豐富、計算性能優(yōu)越的高性能DSP、FPGA或MCU+FPGA實現(xiàn)。高性能DSP和大規(guī)模SRAM型FPGA對單粒子敏感，無法適應(yīng)空間產(chǎn)品長期在軌應(yīng)用要求；反熔絲FPGA具有良好的空間環(huán)境適應(yīng)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(qū)動需求；以MCU+反熔絲FPGA架構(gòu)可充分滿足適應(yīng)空間環(huán)境的負責(zé)機構(gòu)控制應(yīng)用需求，但兩套軟件帶來了軟件管理復(fù)雜性，也不是最佳選型方案。本文空間照明雙軸指向機構(gòu)運動速度較慢，電機環(huán)形分配器脈沖進給時間約為16ms，空間應(yīng)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(gòu)電機驅(qū)動的主控器。此方案滿足空間產(chǎn)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(huán)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(gòu)運行模式為勻速轉(zhuǎn)動，因此伺服控制器無需加減速起?？刂?，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(qū)動方式。采用恒流斬波驅(qū)動結(jié)合細分驅(qū)動方式[1-3]。恒流斬波驅(qū)動技術(shù)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(wěn)等，是目前普遍采用的步進電機驅(qū)動方式；細分驅(qū)動是將電機進給繞組中額定電流形成多個穩(wěn)定中間態(tài)，以實現(xiàn)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(qū)動基礎(chǔ)上采用細分驅(qū)動技術(shù)可有效控制本文指向機構(gòu)電機低頻運行振動問題。

(4) 位置控制策略。由于指向機構(gòu)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(gòu)位置控制通過采集指向機構(gòu)輸出軸角位移傳感器當(dāng)前角度與預(yù)定目標(biāo)的回差比較，實現(xiàn)指向機構(gòu)的位置閉環(huán)控制。此方案適用于空間照明指向機構(gòu)類的低速系統(tǒng)，相比于復(fù)雜的基于PID調(diào)節(jié)的位置控制，控制方案簡單，減輕了CPU的運算負擔(dān)。

2 控制器組成

如圖1所示，空間照明雙軸指向機構(gòu)伺服控制器由MCU(80C32)、斬波恒流電路、電壓細分電路、功率驅(qū)動級組成。通過RS- 422串行總線接受上位機傳送的雙軸轉(zhuǎn)動機構(gòu)速度和方向指令，將兩相繞組正(或反)轉(zhuǎn)的細分?jǐn)?shù)據(jù)從程序存儲器中取出，輸出至D/A數(shù)模相應(yīng)電機兩繞組通道中，實現(xiàn)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(shè)計的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成恒流斬波電路，完成電機恒流斬波驅(qū)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(dāng)AD7228相應(yīng)通道輸出的模擬電壓小于功率驅(qū)動H橋電路LMD18200采樣端檢測的電流對應(yīng)的電壓時，表明功率放大器輸出的電流大于設(shè)定電流，電壓比較器的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)單穩(wěn)電路輸出低電平脈沖，關(guān)斷功率放大器的輸出；隨著感性繞組中的電流逐漸減小，當(dāng)采樣端電流檢測電壓值減小到細分電壓表輸出當(dāng)前值時，比較器輸出由低電平變?yōu)楦唠娖剑|發(fā)單穩(wěn)電路輸出正脈沖，開起H橋上下橋為繞組供電。這樣反復(fù)供電即可實現(xiàn)對繞組細分臺階電流的斬波恒流驅(qū)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(xiàn)對步進電機環(huán)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(shè)計

3.1 細分驅(qū)動電路設(shè)計

3.1.1 細分驅(qū)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(tài)電流矢量，根據(jù)細分?jǐn)?shù)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(gòu)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?jǐn)?shù)。

圖2 電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)示意圖

八細分驅(qū)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(zhí)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(huán)形分配脈沖信號。

圖3 八細分驅(qū)動波形

3.1.2 細分驅(qū)動電路

步進電機細分驅(qū)動電路是基于電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，其硬件框圖如圖1所示。它由單片機、D/A 轉(zhuǎn)換器、鋸齒波發(fā)生器、比較器、功率驅(qū)動器等組成。單片機80C32將程序存儲器存放的細分驅(qū)動電壓輸出至D/A轉(zhuǎn)換器，D/A將轉(zhuǎn)換好的模擬電壓輸出至恒流斬波電流，實現(xiàn)細分電壓D/A轉(zhuǎn)換?？紤]到空間產(chǎn)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(zhuǎn)換電路AD7228更能節(jié)省空間及簡化控制。在一片AD7228芯片上可實現(xiàn)4路兩相步進電機細分電壓轉(zhuǎn)換。80C32通過對片選地址的讀寫即可完成D/A數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換。采用AD公司電壓AD584實現(xiàn)D/A的+5V基準(zhǔn)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(qū)動電路

斬波恒流驅(qū)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(zhuǎn)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(shè)定電流，電壓比較器的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)單穩(wěn)電路輸出負脈沖，關(guān)斷功率放大器的輸出。

圖4 AD7228電原理圖

單穩(wěn)態(tài)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(guān)斷時間，固定關(guān)斷時間為1.1RC。在該關(guān)斷時間內(nèi)，繞組斷電，繞組電勢立即反向，儲存在繞組中的能量經(jīng)續(xù)流二極管泄放，其衰減時間常數(shù)為L/R，L為繞組電感，R包括繞組電阻和續(xù)流二極管的正向?qū)娮璧?。?dāng)固定關(guān)斷時間結(jié)束，單穩(wěn)態(tài)電路輸出高電平，繼續(xù)打開功率放大器，繞組輸出電流上升；當(dāng)超過額定值，經(jīng)電壓比較器觸發(fā)單穩(wěn)電路輸出固定關(guān)斷時間，使繞組電流下降；如此反復(fù)，實現(xiàn)恒流斬波。

圖5 斬波恒流功率驅(qū)動電路

3.3 恒流斬波驅(qū)動電路

空間指向機構(gòu)選用LMD18200作為H橋驅(qū)動電路。它是一款專用于電機控制的H 橋芯片，是高質(zhì)量等級產(chǎn)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(xù)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(qū)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(guān)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(guān)工作頻率達500kHz。本文選用電機驅(qū)動頻率10kHz，因此此處應(yīng)接自舉電容。

LMD18200的8腳為感應(yīng)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(yīng)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(yīng)電流通過采樣電阻R4后轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)電路。其作用是當(dāng)采樣電機USENSE小于參考電壓Uref時，LM555 單穩(wěn)態(tài)電路輸出為高電平；當(dāng)采樣電壓USENSE大于參考電壓Uref時，LM555 單穩(wěn)態(tài)電路輸出為低電平(持續(xù)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(xiàn)了電流的恒流斬波控制?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)參考電壓Uref或者采樣電阻R4來設(shè)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(guān)斷時間與LM555 定時器外圍的RC值有關(guān)，Toff=1.1R6C4。

這里，還要將方向信號及時發(fā)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(qū)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(fā)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(dāng)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號，才能采用集成旋變到數(shù)字轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。

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(xiàn)，主要參數(shù)如下： ±12V供電、400Hz～20kHz可編程頻率輸出7V電壓輸出。旋變到數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用AD公司AD2S80，主要參數(shù)為±12V供電，50Hz～20kHz、1～8V參考輸入，16bit 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動的連續(xù)性，尤其是能很好地改善步進電機低頻下的振蕩現(xiàn)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(jīng)呈現(xiàn)出近乎標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)空間照明雙軸指向機構(gòu)功能需求，開展了伺服驅(qū)動器設(shè)計，其主要特點是： 控制器結(jié)構(gòu)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(yīng)用場合。因此，此方案可作為空間低速雙軸指向機構(gòu)及其他基于步進電機的空間伺服控制系統(tǒng)中。

[1] 蔣范明,韓昌佩.空間應(yīng)用的兩相混合式步進電動機細分電路設(shè)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(shù)[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(xué)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(shù)、空間機電一體化技術(shù)。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)02- 0013- 05

2016-06-15