一種適用于星載太陽(yáng)翼的驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

李麗嬌,石 然,嚴(yán) 丹,馬吉雨,張 俊

0 引 言

太陽(yáng)翼，即太陽(yáng)能帆板，主要應(yīng)用于衛(wèi)星、宇宙飛船的供能.衛(wèi)星發(fā)射時(shí)太陽(yáng)翼處于折疊轉(zhuǎn)態(tài)，星箭分離后打開(kāi)并在衛(wèi)星飛行過(guò)程中不斷調(diào)整方向，使太陽(yáng)能板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，為整星工作提供能量[1].由于擔(dān)負(fù)著為衛(wèi)星提供能源的重要任務(wù)，太陽(yáng)翼在發(fā)射后能否正常工作直接影響著衛(wèi)星發(fā)射的成敗.其中，驅(qū)動(dòng)控制器作為太陽(yáng)翼機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定、高精度運(yùn)行起著關(guān)鍵性的作用.

相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)星載太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行了研究，其中任守志給出了星載太陽(yáng)翼研制體系、部件技術(shù)和搭載驗(yàn)證等方面的建議[2]；黃洪鐘對(duì)太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)建模并進(jìn)行故障分析[3]；劉強(qiáng)通過(guò)增大系統(tǒng)振動(dòng)阻尼，控制太陽(yáng)翼姿態(tài)調(diào)整后的殘余振動(dòng)衰減[4].經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多是對(duì)太陽(yáng)翼的展開(kāi)或驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性評(píng)估、故障分析[5]，缺乏完整的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，這是因?yàn)橐环矫婧教炱骷L(zhǎng)壽命、高可靠、高精度的方向發(fā)展，可靠性評(píng)估和故障分析有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義，另一方面由于航天技術(shù)的保密性，驅(qū)動(dòng)控制相關(guān)論文的獲取受限.

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種適用于太陽(yáng)翼的綜合驅(qū)動(dòng)控制器，以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA為核心，使用硬件描述語(yǔ)言VHDL編寫(xiě)其邏輯功能，通過(guò)RS-422異步通信串口接收上位機(jī)指令，結(jié)合采集到的位置信息和電流信息實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)翼進(jìn)行高可靠、高精度的運(yùn)動(dòng)控制.設(shè)計(jì)在Modlesim中進(jìn)行仿真，并在FPGA開(kāi)發(fā)板、步進(jìn)電機(jī)及相關(guān)外圍電路上進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證.

1 系統(tǒng)需求及分析

由于太空中電磁、輻射環(huán)境比較惡劣，當(dāng)高能粒子進(jìn)入半導(dǎo)體器件靈敏區(qū)時(shí)會(huì)使器件邏輯反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤、工作異常，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生災(zāi)難性事故.因此本文選用航天級(jí)反熔絲FPGA器件，可有效避免單粒子反轉(zhuǎn)效應(yīng).

太陽(yáng)翼在工作時(shí)由于展開(kāi)面積大，質(zhì)心離衛(wèi)星本體遠(yuǎn)，大角度快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)會(huì)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生動(dòng)態(tài)激勵(lì)，從而影響衛(wèi)星平臺(tái)的穩(wěn)定性[6-7]，造成高分辨率成像質(zhì)量下降，因此對(duì)太陽(yáng)翼的控制必須緩慢、平穩(wěn).電機(jī)作為一種運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，是太陽(yáng)翼運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵部件.步進(jìn)電機(jī)每接收到一個(gè)電脈沖信號(hào)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，具有開(kāi)環(huán)控制、精度高、停轉(zhuǎn)可保持力矩、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[8].本文選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，帶有起跳功能.

按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速(機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速即電機(jī)經(jīng)減速器后輸出的速度值)小于1.2(°)/s，在0～0.1(°)/s速度段時(shí)差值須小于0.01(°)/s，0.1～1.2(°)/s速度段時(shí)誤差須小于10%.此外，步進(jìn)電機(jī)單步運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)存在失步、過(guò)沖、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大和低頻震蕩嚴(yán)重等問(wèn)題[9].為此，控制器內(nèi)部將采用自主梯形速度規(guī)劃及加速度、啟動(dòng)制動(dòng)速度可設(shè)置的方案，便于后期實(shí)際負(fù)載實(shí)驗(yàn)時(shí)獲取最佳速度曲線，降低失步及過(guò)沖的風(fēng)險(xiǎn).且對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行64細(xì)分驅(qū)動(dòng)，不僅可提高歸零時(shí)的位置精度，且可減緩震動(dòng)，降低運(yùn)轉(zhuǎn)噪音[10].在控制器外部，則采用100:1減速比的減速器提高輸出扭矩.

2 驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

綜合驅(qū)動(dòng)控制器主要包括指令單字節(jié)和多字節(jié)收發(fā)、指令解析、零位信號(hào)采集、電流采集、內(nèi)部信息采集、AD控制、位置控制、速度控制、步進(jìn)控制、PWM細(xì)分控制和PWM脈沖控制等模塊，其系統(tǒng)框圖如圖1所示.

該驅(qū)動(dòng)控制器的主要功能是：通過(guò)RS-422異步傳輸接口接收上位機(jī)發(fā)送的單字節(jié)，通過(guò)指令多字節(jié)接收模塊進(jìn)行指令的拼接，由指令解析模塊解析后獲得完整的遙控指令或遙測(cè)指令，發(fā)送到對(duì)應(yīng)模塊進(jìn)行控制；位置控制模塊接收PWM脈沖輸出模塊的步進(jìn)信號(hào)與零位信號(hào)采集模塊的零位信號(hào)，對(duì)內(nèi)部位置計(jì)數(shù)器進(jìn)行更新；速度控制模塊根據(jù)位置控制模塊的零位信號(hào)和指令解碼發(fā)送的歸零指令或調(diào)速指令，規(guī)劃速度曲線，并計(jì)算每一步的時(shí)間間隔；步進(jìn)控制模塊根據(jù)時(shí)間間隔輸出脈沖信號(hào)；PWM細(xì)分模塊使用查找表獲取兩相繞組的占空比值，并計(jì)算高低電平對(duì)應(yīng)的周期數(shù)；PWM脈沖控制模塊控制PWM脈沖的輸出；通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)減速器后連接至太陽(yáng)翼，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)翼的控制.

2.1 指令收發(fā)

指令收發(fā)模塊包括單字節(jié)收發(fā)和多字節(jié)收發(fā)，其中單字節(jié)收發(fā)模塊按照RS422串口通信協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)，傳輸速率為115200bps，通信方式為兩收一發(fā).數(shù)據(jù)格式如圖2所示，包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗(yàn)位和1位終止位.其中起始位為0；校驗(yàn)位采用奇校驗(yàn)法得到，當(dāng)數(shù)據(jù)中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)校驗(yàn)位為0，1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)為1；停止位為1.

接收指令時(shí)，從RS422異步傳輸接口接收單字節(jié)數(shù)據(jù)，然后將其組裝為多字節(jié)數(shù)據(jù)包，當(dāng)校驗(yàn)碼錯(cuò)誤或字節(jié)長(zhǎng)時(shí)間未發(fā)送時(shí)重新傳輸，組裝成功后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到指令解析模塊.當(dāng)多字節(jié)數(shù)據(jù)包輸出有效時(shí)，指令解析模塊無(wú)條件接受.新指令可以覆蓋未執(zhí)行完成的舊指令.一旦輸出有效，必須連續(xù)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的完整數(shù)據(jù)域，不可以中斷.

指令發(fā)送過(guò)程與之相反，內(nèi)部信息采集模塊根據(jù)指令對(duì)相應(yīng)模塊進(jìn)行遙測(cè)信息或調(diào)試信息的采集，經(jīng)校驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)誤后發(fā)送到RS-422串口，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)格式打包后按位依次輸出.

2.2 指令解析

接收到指令后，指令解析模塊根據(jù)指令格式進(jìn)行解析，指令格式為8位指令類別碼、4位子指令碼和4位指令對(duì)象碼，有參數(shù)時(shí)還包括32位參數(shù)數(shù)據(jù)，指令格式及詳細(xì)說(shuō)明如表1所示.

圖1 驅(qū)動(dòng)控制器系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram of the drive controller

圖2基于RS-422的數(shù)據(jù)傳輸格式Fig.2 Data transmission format based on RS-422

指令主要分為控制指令和調(diào)試指令，其中控制指令包括調(diào)速指令、歸零指令、停止指令和遙測(cè)指令.指令解析時(shí)，如果是調(diào)速指令，則提取目標(biāo)速度，更新參數(shù)寄存器并輸出至速度控制模塊，進(jìn)行速度規(guī)劃并驅(qū)動(dòng)電機(jī)使得速度達(dá)到目標(biāo)值；歸零指令用于太陽(yáng)翼位置初始化，當(dāng)接受到歸零指令時(shí)，速度控制模塊則持續(xù)監(jiān)測(cè)零位信號(hào).當(dāng)零位信號(hào)出現(xiàn)上升脈沖時(shí)，表示機(jī)構(gòu)接近零位位置，則控制電機(jī)減速至制動(dòng)速度，當(dāng)零位信號(hào)再降為低電平時(shí),表示機(jī)構(gòu)到達(dá)零位位置，則停轉(zhuǎn)鎖定電機(jī).如果是停止指令，速度控制模塊則減速至制動(dòng)速度，停轉(zhuǎn)鎖定電機(jī).如果是遙測(cè)指令，則對(duì)信息收集模塊發(fā)起信息收集請(qǐng)求.指令中參數(shù)為32位數(shù)據(jù)，包括1位符號(hào)位，15位整數(shù)位和16位小數(shù)位.

表1 指令格式及詳細(xì)說(shuō)明Tab.1 Instruction format and detailed descriptions

除上述控制指令外，本文還提供了調(diào)試時(shí)使用的內(nèi)部調(diào)試指令，包括調(diào)試信息采集指令、軟件復(fù)位指令、加速度參數(shù)設(shè)置指令、機(jī)構(gòu)歸零時(shí)勻速段速度設(shè)置指令、機(jī)構(gòu)起跳制動(dòng)速度設(shè)置指令、安全電流參數(shù)設(shè)置指令、占空比比例參數(shù)設(shè)置指令和電流開(kāi)環(huán)設(shè)置指令等，用來(lái)調(diào)試加速度、初始累加量、累加量和安全電流等參數(shù).內(nèi)部調(diào)試指令在調(diào)試階段使用，以獲得最優(yōu)參數(shù)，使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)達(dá)到最佳性能.

2.3 速度控制

2.3.1 速度曲線規(guī)劃

速度控制模塊的主要功能是根據(jù)接收到的目標(biāo)速度、歸零信號(hào)或停止信號(hào)，對(duì)速度進(jìn)行規(guī)劃，并根據(jù)速度曲線計(jì)算每一步的時(shí)間間隔.其中，速度規(guī)劃是依據(jù)步進(jìn)電機(jī)的梯形速度曲線來(lái)控制的.但由于太陽(yáng)翼運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)執(zhí)行調(diào)速、歸零或停止控制，實(shí)際的速度曲線不一定是標(biāo)準(zhǔn)的梯形曲線，可能是梯形曲線的一部分，也有可能是兩個(gè)或多個(gè)梯形曲線的組合，具體曲線視指令情況而定.圖3列舉了部分可能的曲線.

圖3 速度曲線Fig.3 Speed curve

圖3中給了3種狀況的速度曲線，說(shuō)明如下：

(1) 0a段：初始是停止?fàn)顟B(tài)，依次執(zhí)行高速正向調(diào)速和歸零指令.執(zhí)行第一條調(diào)速指令時(shí)，由于目標(biāo)速度大于起跳速度，先直接跳至起跳速度，再經(jīng)正向加速達(dá)到目標(biāo)速度，并保持勻速；當(dāng)接收到第二條歸零指令時(shí)，由于當(dāng)前速度大于制動(dòng)速度，進(jìn)入正向減速狀態(tài)，當(dāng)接收到預(yù)零位信號(hào)時(shí)，速度仍大于起跳速度，進(jìn)入零位間減速狀態(tài)，減速至制動(dòng)速度后接收到真零位信號(hào)，速度跳至0實(shí)現(xiàn)歸零.

(2) ab段：初始是停止?fàn)顟B(tài)，依次執(zhí)行高速反向調(diào)速、低速正向調(diào)速和停止指令.執(zhí)行第一條調(diào)速指令時(shí)，由于目標(biāo)速度大于起跳速度，先直接跳至起跳速度，再經(jīng)反向加速達(dá)到目標(biāo)速度，并保持勻速；當(dāng)接收到第二條調(diào)速指令時(shí)，由于方向發(fā)生了改變，先進(jìn)行反向減速，減至制動(dòng)速度時(shí)速度跳至0，由于正向目標(biāo)速度小于起跳速度，直接跳至目標(biāo)速度并保持勻速；接收到第3條停止指令時(shí)，由于當(dāng)前速度小于制動(dòng)速度，速度直接跳至0實(shí)現(xiàn)停止.

(3) bc段：初始是停止?fàn)顟B(tài)，依次執(zhí)行低速反轉(zhuǎn)調(diào)速和歸零指令.執(zhí)行第一條調(diào)速指令時(shí)，由于目標(biāo)速度小于起跳速度，直接跳至目標(biāo)速度并保持勻速；當(dāng)接收到第二條歸零指令時(shí)，由于速度小于起跳速度，直接跳至0，再跳至正向起跳速度，進(jìn)入正向加速狀態(tài)，當(dāng)接收到預(yù)零位信號(hào)時(shí)，速度大于起跳速度，進(jìn)入零位間減速狀態(tài)，減速至制動(dòng)速度時(shí)保持勻速，直到接收到真零位信號(hào)，速度跳至0實(shí)現(xiàn)歸零.

以上列舉了3種可能的速度曲線，但由于步進(jìn)電機(jī)可以正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，接收的指令有調(diào)速、歸零和停止，新指令可以覆蓋舊指令等多種原因，速度曲線的可能性有很多，在此不盡詳述.

2.3.2 速度規(guī)劃狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

速度曲線規(guī)劃通過(guò)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)了12種狀態(tài)，分別為正向加速、正向勻速、正向減速、零位間正向加速、起跳速度勻速、零位間正向減速、反向加速、反向勻速、反向減速、鎖定停止、零位鎖定和空閑狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)及其轉(zhuǎn)換如圖4所示.

由于狀態(tài)機(jī)較為復(fù)雜，只給出了設(shè)計(jì)的12種狀態(tài)以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換條件省略，雙向箭頭表示狀態(tài)間能相互轉(zhuǎn)換.對(duì)于太陽(yáng)翼的控制主要有調(diào)速、歸零和停止，其中停止指令實(shí)質(zhì)是目標(biāo)速度為0的調(diào)速，下面給出調(diào)速和歸零兩種情況下部分狀態(tài)轉(zhuǎn)換的分析.

1) 空閑狀態(tài)：如果接收到調(diào)速指令，如果目標(biāo)速度不為0，方向信號(hào)為0時(shí)進(jìn)入正向加速，方向?yàn)?則進(jìn)入反向加速；目標(biāo)速度為0則進(jìn)入鎖定停止?fàn)顟B(tài).如果接收到歸零指令，則開(kāi)始正向加速.

2) 正向加速狀態(tài)：如果接收到反向調(diào)速指令，當(dāng)前速度不為0時(shí)進(jìn)入正向減速狀態(tài)；當(dāng)前速度為0且目標(biāo)轉(zhuǎn)速也為0時(shí)進(jìn)入鎖定停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)前速度為0目標(biāo)速度不為0時(shí)進(jìn)入反向加速狀態(tài).如果接收到正向調(diào)試指令，當(dāng)前速度大于目標(biāo)速度時(shí)進(jìn)入正向減速狀態(tài)；當(dāng)前速度等于目標(biāo)速度，且當(dāng)前速度為0時(shí)鎖定停止，否則保持勻速；當(dāng)前速度小于目標(biāo)速度時(shí)正向加速.如果接收到歸零指令，當(dāng)前速度大于預(yù)零位前勻速速度時(shí)進(jìn)入正向減速狀態(tài)；當(dāng)前速度等于預(yù)零位前勻速速度，且接收到預(yù)零位信號(hào)時(shí)進(jìn)入零位間減速，否則保持勻速；當(dāng)前速度大于起跳速度，且接收到預(yù)零位信號(hào)時(shí)進(jìn)入零位間減速狀態(tài)，否則進(jìn)入正向加速狀態(tài)；當(dāng)前速度等于起跳速度，且接收到預(yù)零位信號(hào)時(shí)進(jìn)入起跳速度勻速狀態(tài)，接收到真零位信號(hào)則進(jìn)入鎖定零位狀態(tài)，否則進(jìn)入正向加速狀態(tài)；當(dāng)前速度小于起跳速度，且接收到預(yù)零位信號(hào)時(shí)進(jìn)入零位間正向加速狀態(tài)，接收到真零位信號(hào)則進(jìn)入鎖定零位狀態(tài)，否則進(jìn)入正向加速狀態(tài).

圖4 速度規(guī)劃狀態(tài)機(jī)及其轉(zhuǎn)換Fig.4 Speed planning state machine and conversion

3) 反向加速狀態(tài)：如果接收到正向調(diào)速指令，當(dāng)前速度不為0時(shí)進(jìn)入反向減速狀態(tài)；當(dāng)前速度為0且目標(biāo)轉(zhuǎn)速也為0時(shí)則進(jìn)入鎖定停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)前速度為0目標(biāo)速度不為0則進(jìn)入正向加速狀態(tài)；如果接收到反向調(diào)速指令，當(dāng)前速度大于目標(biāo)速度時(shí)進(jìn)入反向減速狀態(tài)；當(dāng)前速度等于目標(biāo)速度，且當(dāng)前速度為0時(shí)鎖定停止，否則保持勻速；當(dāng)前速度小于目標(biāo)速度時(shí)反向加速.如果接收到歸零指令，當(dāng)前速度為0時(shí)進(jìn)入正向加速狀態(tài)，否則進(jìn)入反向減速狀態(tài).

4) 零位間正向加速狀態(tài)：如果接收到反向調(diào)速指令，當(dāng)前速度不為0時(shí)進(jìn)入正向減速狀態(tài)；當(dāng)前速度為0且目標(biāo)轉(zhuǎn)速也為0時(shí)則進(jìn)入鎖定停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)前速度為0目標(biāo)速度不為0則進(jìn)入反向加速狀態(tài).如果接收到正向調(diào)速指令，當(dāng)前速度大于目標(biāo)速度時(shí)進(jìn)入正向減速狀態(tài)；當(dāng)前速度等于目標(biāo)速度，且當(dāng)前速度為0時(shí)鎖定停止，否則保持勻速；當(dāng)前速度小于目標(biāo)速度時(shí)正向加速.如果接收到歸零指令，當(dāng)前速度大于起跳速度時(shí)進(jìn)入零位間正向減速狀態(tài)；當(dāng)前速度等于起跳速度，且接收到真零位信號(hào)時(shí)進(jìn)入鎖定零位狀態(tài)，否則進(jìn)入起跳速度勻速狀態(tài)；當(dāng)前速度小于起跳速度，且接收到真零位信號(hào)則進(jìn)入鎖定零位狀態(tài)，否則進(jìn)入零位間正向加速狀態(tài).

2.3.3 步進(jìn)間隔計(jì)算

完成速度曲線規(guī)劃后，模塊根據(jù)速度曲線計(jì)算每一步的時(shí)間間隔.速度曲線可能包含的有勻加速、勻速和勻減速3種情況，勻速時(shí)取速度的倒數(shù)便可得到時(shí)間間隔，勻加速時(shí)根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

(1)

進(jìn)行推導(dǎo)，得到時(shí)間計(jì)算公式

(2)

那么時(shí)間間隔的計(jì)算方式如下：

(3)

根據(jù)式(3)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，包括速度、初始速度累加值、速度累加值、速度累加和、速度累加和開(kāi)方值等寄存器.每次計(jì)算時(shí)間間隔時(shí)，只需計(jì)算速度累加值及其開(kāi)方值，與上一次的計(jì)算結(jié)果相減便可得到時(shí)間間隔.

2.4 位置控制

位置控制模塊主要接收來(lái)自位置采集模塊的零位信號(hào)和PWM脈沖輸出模塊的步進(jìn)信號(hào).其中，零位信號(hào)由零位傳感器檢測(cè)得到，為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，一般為低電平，當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到零位的上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)為高電平，即出現(xiàn)一個(gè)脈沖上升沿，高電平維持，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)掃描脈沖寬度4.5°后，該信號(hào)又從高電平轉(zhuǎn)為低電平，即出現(xiàn)一個(gè)脈沖下降沿.零位信號(hào)采用三高三低的方式除毛刺，保證信號(hào)可靠性.即當(dāng)零位信號(hào)在3個(gè)連續(xù)的低電平狀態(tài)后變?yōu)?個(gè)連續(xù)的高電平，則判斷為預(yù)零位信號(hào)；在3個(gè)連續(xù)的高電平狀態(tài)后變?yōu)?個(gè)連續(xù)的低電平，則判斷為真零位信號(hào).

位置控制模塊如果接收的是零位信號(hào)，則將內(nèi)部位置計(jì)數(shù)器清零，如果是步進(jìn)信號(hào)，則根據(jù)方向信號(hào)對(duì)內(nèi)部位置計(jì)數(shù)器進(jìn)行累加或遞減.同時(shí)，該模塊設(shè)置了失步標(biāo)志寄存器，用來(lái)記錄最近一次到零位時(shí)的失步情況.具體實(shí)現(xiàn)方法為，當(dāng)接收到零位信號(hào)時(shí)，如果當(dāng)前位置計(jì)數(shù)器不為0，則判斷為失步.

2.5 PWM細(xì)分及時(shí)序控制

為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)翼的高精度控制，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分控制，其實(shí)質(zhì)是將步進(jìn)電機(jī)相線圈中的方波電流改為階梯狀正弦波，使得合成磁場(chǎng)以微步的步距角旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子以微步轉(zhuǎn)動(dòng).

由于正弦波的對(duì)稱性，計(jì)算占空比時(shí)只需計(jì)算前1/4周期，使用時(shí)加上相位控制和方向控制，就能得到正向遞增、正向遞減、反向遞增和反向遞減四種情況的占空比變化.本文對(duì)四分之一周期的正弦波進(jìn)行64等分，再采用SPWM等效面積法計(jì)算各個(gè)等分對(duì)應(yīng)的占空比，并將結(jié)果參數(shù)保存到ROM表中供細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)使用.

PWM脈沖使用LMD18200芯片驅(qū)動(dòng)，根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊(cè)接口時(shí)序可知，BRK、PWM及DIR3種輸出信號(hào)的脈沖寬度必須大于1 us，而且3個(gè)信號(hào)的切換不能同時(shí)發(fā)生，需要至少間隔1 us.因此，設(shè)置及全局狀態(tài)機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制，以滿足時(shí)序要求.此狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)了7種狀態(tài)，IDLE為空閑狀態(tài)，RUN為運(yùn)行狀態(tài)，BRAKE0為BRK、PWM、DIR信號(hào)為低的剎車狀態(tài)，BRAKE1為BRK為高、PWM、DIR信號(hào)為高的剎車狀態(tài)，BRAKE2為BRK、PWM為高、DIR信號(hào)為低的剎車狀態(tài)，BRAKE3為BRK位高、PWM、DIR信號(hào)為低的剎車狀態(tài)，BRAKE4為BRK、PWM、DIR信號(hào)為低的剎車狀態(tài).狀態(tài)機(jī)及其轉(zhuǎn)換圖見(jiàn)圖5.

圖5 PWM時(shí)序控制狀態(tài)機(jī)Fig.5 PWM timing control state machine

狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件為：初始狀態(tài)為IDLE，接收到剎車信號(hào)則進(jìn)入到BRAKE0狀態(tài)，否則接收到PWM細(xì)分有效信號(hào)則進(jìn)入到RUN狀態(tài)，進(jìn)行PWM波輸出，否則保持空閑狀態(tài)；RUN狀態(tài)時(shí)，接收到剎車信號(hào)則進(jìn)入到BRAKE0狀態(tài)，否則接收到PWM細(xì)分有效信號(hào)則保持RUN狀態(tài)，進(jìn)行PWM波輸出；BRAKE狀態(tài)等待時(shí)間達(dá)到后向下一BRAKE狀態(tài)轉(zhuǎn)換，否則維持原態(tài).

2.6 電流采集

電流環(huán)使用AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行電流采集，提供限流保護(hù)，當(dāng)采集到的電流值大于安全電流值時(shí)，輸出電流異常信號(hào)到PWM脈沖控制模塊，從而控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行剎車.根據(jù)AD574的接口協(xié)議進(jìn)行狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，包括空閑，模擬開(kāi)關(guān)切換，轉(zhuǎn)換指令0，轉(zhuǎn)換指令1，轉(zhuǎn)換等待，讀指令0，讀指令1，讀指令2和返回?cái)?shù)據(jù)9種狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換邏輯為：初始狀態(tài)為空閑狀態(tài)IDEL，依次向下一狀態(tài)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換條件類似，當(dāng)前狀態(tài)周期計(jì)數(shù)器滿即可.

2.7 冗余設(shè)計(jì)

為了提高本設(shè)計(jì)的可靠性，滿足航天設(shè)備的要求，采取多重冗余設(shè)計(jì)技術(shù):1) 接收上位機(jī)指令時(shí)采用兩收技術(shù)，若收到的兩條指令都是正確的則任取一條，若一條指令錯(cuò)誤一條正確則取正確指令，若兩條都錯(cuò)誤則要求重發(fā)；2) 指令容錯(cuò)設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)奇偶校驗(yàn)位來(lái)檢測(cè)指令的正確性，以及設(shè)置指令、指令參數(shù)錯(cuò)誤標(biāo)志位來(lái)檢測(cè)指令錯(cuò)誤；3) 對(duì)步進(jìn)電機(jī)設(shè)置雙繞組主備份，正常情況下由主機(jī)工作，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障無(wú)法工作時(shí)，備機(jī)啟動(dòng)工作；4) 設(shè)計(jì)硬件時(shí)采用異步復(fù)位同步釋放，避免了亞穩(wěn)態(tài)；5) 五是設(shè)計(jì)了軟件復(fù)位.

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 Modelsim仿真及結(jié)果分析

為了對(duì)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，編寫(xiě)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)模擬RS422接口進(jìn)行指令的發(fā)送，同時(shí)對(duì)電流信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).該驅(qū)動(dòng)器可以對(duì)兩路太陽(yáng)翼進(jìn)行獨(dú)立或同步控制，但為了驗(yàn)證功能的完整性，仿真都是對(duì)兩路太陽(yáng)翼進(jìn)行同步控制，仿真在Modelsim軟件中進(jìn)行.

在仿真圖中，speedenable為速度使能信號(hào)，當(dāng)接收到調(diào)速指令時(shí)由低電平變?yōu)楦唠娖?；go_zero為歸零信號(hào)，接收到歸零指令時(shí)由低電平變高電平；rotatedir信號(hào)為旋轉(zhuǎn)方向寄存器，為0時(shí)表示正轉(zhuǎn)，為1時(shí)表示反轉(zhuǎn)；zero信號(hào)為零位信號(hào)，接受到預(yù)零位信號(hào)時(shí)由低電平變高電平，接受到真零位信號(hào)則由高電平變?yōu)榈碗娖?；c_state_reg為當(dāng)前速度狀態(tài)寄存器，表示當(dāng)前速度所處的狀態(tài)；currentspeed_reg為當(dāng)前速度寄存器，保存當(dāng)前速度值；finish_inst為指令完成標(biāo)志寄存器，為高電平時(shí)表示指令完成.

3.1.1 高速正轉(zhuǎn)的調(diào)速指令

設(shè)置調(diào)速指令1103，對(duì)兩個(gè)電機(jī)同時(shí)進(jìn)行調(diào)速控制，目標(biāo)速度設(shè)為8100(十六進(jìn)制數(shù)，大于起跳速度8000).根據(jù)1位符號(hào)位、15位整數(shù)位、16位小數(shù)位的數(shù)據(jù)格式將8100換算成實(shí)際轉(zhuǎn)速，為0.503 906 25(°)/s，以下給出的速度值均為寄存器中存儲(chǔ)的速度值，并非實(shí)際速度值.仿真波形如圖6所示.

由仿真波形可以看出，兩路控制器的速度控制狀態(tài)機(jī)初始狀態(tài)均為空閑狀態(tài)，接收到調(diào)速指令后speedenable由低電平變?yōu)楦唠娖剑_(kāi)始速度規(guī)劃，由于目標(biāo)速度大于起跳速度，先直接跳至起跳速度8000，再進(jìn)入正向加速狀態(tài)，加速達(dá)到目標(biāo)速度，并以目標(biāo)速度8100保持正向勻速狀態(tài)，finish_inst變?yōu)楦唠娖剑瓿烧{(diào)速指令.

3.1.2 低速正轉(zhuǎn)到高速反轉(zhuǎn)的調(diào)速指令

設(shè)置調(diào)速指令1103，對(duì)兩個(gè)電機(jī)同時(shí)進(jìn)行調(diào)速控制，先設(shè)置低于起跳速度的較小目標(biāo)速度4000正向運(yùn)轉(zhuǎn)，再改為大于起跳速度的較大目標(biāo)值8100反向運(yùn)轉(zhuǎn)，仿真波形圖如圖7所示.

由波形圖可以看出，兩路控制器的速度控制狀態(tài)機(jī)初始狀態(tài)均為空閑狀態(tài)，當(dāng)收到第一條正向調(diào)速指令時(shí)，rotatedir為低電平，由于此時(shí)目標(biāo)速度小于起跳速度，直接跳至目標(biāo)速度4000，以該速度保持正向勻速，finish_inst變?yōu)?，完成第一次調(diào)速指令；再次接收到調(diào)速指令時(shí)，由于此時(shí)方向發(fā)生了變化，rotatedir信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?，且目?biāo)速度大于起跳速度，先把正向速度歸零，再起跳至起跳速度，然后進(jìn)入反向加速狀態(tài)通過(guò)加速達(dá)到目標(biāo)速度，并以目標(biāo)速度8100保持反向勻速狀態(tài)，完成調(diào)速.

圖6 正向高速調(diào)速波形Fig.6 Forward high speed regulation waveform

圖7 低速正轉(zhuǎn)到高速反轉(zhuǎn)調(diào)速波形Fig.7 Forward low speed to reverse highspeed regulation waveform

3.1.3 高速正轉(zhuǎn)后的歸零指令

對(duì)兩個(gè)電機(jī)同時(shí)進(jìn)行控制，設(shè)置調(diào)速指令1103，目標(biāo)速度為10100，待調(diào)速完成后給出歸零指令3303，仿真波形圖如圖8所示.

由波形圖可以看出，兩路控制器的速度控制狀態(tài)機(jī)初始狀態(tài)均為空閑狀態(tài)，當(dāng)收到調(diào)速指令時(shí)，speedenable由低電平變?yōu)楦唠娖剑_(kāi)始速度規(guī)劃，由于此時(shí)目標(biāo)速度大于起跳速度，先跳至起跳速度8000，再加速至目標(biāo)速度10100，隨后保持勻速，此時(shí)調(diào)速指令完成，finish_inst信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑划?dāng)收到歸零指令時(shí)，gozero信號(hào)變?yōu)?，speedenable信號(hào)變?yōu)?，速度進(jìn)入減速狀態(tài)，當(dāng)接收到預(yù)零位信號(hào)，即zero由0變?yōu)?時(shí)，進(jìn)入零位間減速狀態(tài)，減速至制動(dòng)速度8000后保持勻速，當(dāng)接收到真零位信號(hào)，即zero由1變0時(shí)，速度直接跳至0，進(jìn)入鎖定零位狀態(tài)，完成歸零.

圖8 高速正轉(zhuǎn)后歸零波形Fig.8 Forward high speed regulation to go zero waveform

3.1.4 低速正轉(zhuǎn)后的停止指令

對(duì)兩個(gè)電機(jī)同時(shí)進(jìn)行控制，設(shè)置調(diào)速指令1103，目標(biāo)速度4000，等調(diào)速完成后給出停止指令4403，仿真波形如圖9所示.

圖9 低速反轉(zhuǎn)后停止波形Fig.9 Reverse high speed regulation to stop waveform

由波形圖可以看出，兩路控制器的速度控制狀態(tài)機(jī)初始狀態(tài)均為空閑狀態(tài)，當(dāng)收到調(diào)速指令時(shí)，speedenable由低電平變?yōu)楦唠娖剑捎诖藭r(shí)目標(biāo)速度小于起跳速度，直接跳至目標(biāo)速度，并以該速度保持勻速，此時(shí)調(diào)速指令完成，finish_inst信號(hào)變?yōu)楦唠娖?；接收到停止指令時(shí)，此時(shí)速度小于制動(dòng)速度，則速度直接降為0實(shí)現(xiàn)停止.

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)本文設(shè)計(jì)的綜合驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驗(yàn)證，搭建硬件電路系統(tǒng)，包括FPGA主控板、電流采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和步進(jìn)電機(jī)等，并將代碼下載至FPGA中進(jìn)行實(shí)驗(yàn).圖10為電機(jī)驅(qū)動(dòng)板實(shí)物，圖11、12為示波器所測(cè)波形圖.

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該驅(qū)動(dòng)控制器可以根據(jù)指令準(zhǔn)確的進(jìn)行調(diào)速、歸零和停止控制.圖11為歸零時(shí)信號(hào)變化圖，圖中信號(hào)分別為步進(jìn)電機(jī)的電流信號(hào)和零位信號(hào)，預(yù)零位信號(hào)來(lái)臨時(shí)進(jìn)行減速，電流信號(hào)發(fā)生變化，真零位信號(hào)到來(lái)時(shí)實(shí)現(xiàn)歸零鎖定，電流信號(hào)變?yōu)楹愣ㄖ?圖12為調(diào)速過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)的兩相電流變化，由于驅(qū)動(dòng)芯片的特性，波形只有正向部分.從圖中可以看出兩相電流相位相差90°，波形接近標(biāo)準(zhǔn)正向正弦波，說(shuō)明細(xì)分后的PWM其占空比按照正弦波規(guī)律變化.

圖10 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板Fig.10 The stepping motor drive board

圖11 歸零時(shí)的電流及零位信號(hào)變化圖Fig.11 The wave of current and zero signalwhen going zero

圖12 調(diào)速過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)的兩相電流Fig.12 Two phase current of stepping motorduring speed regulation

由于本設(shè)計(jì)所采用的32位運(yùn)算器存在一定計(jì)算誤差，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)精度，在工作頻率為22.118 4 MHz，起跳速度為0.5(°)/s，加速度為0.05(°)/s2的條件下，進(jìn)行調(diào)速測(cè)試.低速段對(duì)0.01～0.1(°)/s以0.01(°)/s的間隔進(jìn)行測(cè)試，高速段對(duì)0.1～1.2(°)/s以0.1(°)/s的間隔進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試方式為：通過(guò)串口發(fā)送調(diào)速指令，待機(jī)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)速度后，發(fā)送遙測(cè)指令獲取當(dāng)前一個(gè)脈沖輸出周期數(shù)，從而計(jì)算實(shí)際速度和速度誤差.實(shí)際速度計(jì)算公式為：

(4)

其中，θ為步距角1.8°，d為細(xì)分?jǐn)?shù)64，a為減速比100，n為脈沖輸出周期數(shù)，T為系統(tǒng)周期.低速段的速度相對(duì)誤差計(jì)算公式為實(shí)際速度-目標(biāo)速度；高速段的速度誤差計(jì)算公式為(實(shí)際速度-目標(biāo)速度)/目標(biāo)速度.

表2 低速段速段速度誤差Tab.2 Relative speed errors of low speed

表3 高速段速度誤差Tab.3 Speed errors of high speed

低速段的速度相對(duì)誤差均小于0.006(°)/s，滿足系統(tǒng)0.01(°)/s的設(shè)計(jì)需求；高速段的速度誤差在±0.13%之間，優(yōu)于系統(tǒng)10%的設(shè)計(jì)需求.

5 結(jié) 論

本文從航天應(yīng)用的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種適用于星載太陽(yáng)翼的綜合驅(qū)動(dòng)控制器.首先給出了綜合驅(qū)動(dòng)控制器的總體框架，然后詳細(xì)介紹了指令收發(fā)、指令解析、速度控制、位置控制、PWM細(xì)分控制、PWM時(shí)序要求以及電流采集等模塊，同時(shí)根據(jù)航天器件可靠性設(shè)計(jì)給出了幾種冗余設(shè)計(jì)的具體措施.經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真和實(shí)物驗(yàn)證，結(jié)果證明了該驅(qū)動(dòng)控制器滿足預(yù)期設(shè)計(jì)需求，可以很好的實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)翼的運(yùn)動(dòng)控制.