空間應(yīng)用的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制器

葛 悅，謝寶昌，姚惟琳，苗 軍2，

(1.上海交通大學(xué)，上海200240;2.上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201108;3.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108)

0 引 言

空間用電機(jī)主要分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)等，本文根據(jù)工程應(yīng)用及可靠性要求選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)脈沖電機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一個(gè)執(zhí)行元件。它能將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的角位移或者直線位移，就是給一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或移動(dòng)一個(gè)距離。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有低成本、結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)耐用、容易控制、高可靠性、幾乎無(wú)需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

宇宙空間充滿(mǎn)了各種形態(tài)的物質(zhì):有各種能量的帶電粒子;有引力場(chǎng)、磁場(chǎng)和電場(chǎng);有各種波長(zhǎng)的電磁輻射?？臻g環(huán)境對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)滿(mǎn)足產(chǎn)品長(zhǎng)壽命工作要求。

文獻(xiàn)［1］采用高性能DSP 作為指向機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)主芯片，可是DSP 器件對(duì)單粒子敏感，無(wú)法滿(mǎn)足空間應(yīng)用可靠性要求。文獻(xiàn)［2］采用集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200 構(gòu)成H 全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，芯片集成度高，但是驅(qū)動(dòng)電流一般1 ～3 A 范圍，芯片輻照指標(biāo)無(wú)數(shù)據(jù)，且芯片熱耗集中，大電流工作時(shí)芯片溫度較高達(dá)到70℃以上，無(wú)法滿(mǎn)足高軌衛(wèi)星長(zhǎng)壽命、高可靠度要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制器采用FPGA +MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片和MOSFET 組成的H 橋式驅(qū)動(dòng)電路方案，以滿(mǎn)足空間輻照指標(biāo)及降低芯片工作溫度的要求?；诜慈劢z結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA 為一次編程型開(kāi)關(guān)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(diǎn)。MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片IR2110 等級(jí)為宇航級(jí)，其高端側(cè)偏置電壓高(最高＜500 V)，響應(yīng)速度快(ton=120 ns，toff=94 ns)，電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng);選用具有輻照指標(biāo)的MOSFET 器件，能滿(mǎn)足空間環(huán)境要求，并較H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片熱耗分布均勻，解決了空間散熱問(wèn)題，適合在航天上應(yīng)用。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

本文針對(duì)兩自由度指向機(jī)構(gòu)采用兩套相同的傳動(dòng)鏈和角度測(cè)量組件，均由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、諧波減速器、旋轉(zhuǎn)變壓器、軸承等部件組成。

兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)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(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器，其參數(shù)如下:激磁方式:轉(zhuǎn)子激磁，定子輸出;激磁電壓(3.8 ±0.38)V、頻率2 400 Hz、極對(duì)數(shù)1∶ 16;輸出信號(hào)類(lèi)型:正余弦;最大空載輸出電壓:粗機(jī)(2 ±0.2)V，精機(jī)(2 ±0.2)V。

指向機(jī)構(gòu)伺服控制器采用FPGA +MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片和MOSFET 組成的H 橋式驅(qū)動(dòng)電路的硬件架構(gòu)，采用基于旋轉(zhuǎn)變壓器的增量式位置閉環(huán)控制方法，原理框圖如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星指向機(jī)構(gòu)伺服控制器原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

指向機(jī)構(gòu)伺服控制器包含控制線路和驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)底層控制算法、電子換相控制、控制量脈寬調(diào)制輸出。

驅(qū)動(dòng)線路主要功能是接收控制線路發(fā)出的斬波信號(hào)，將星載28 V 電源轉(zhuǎn)化為二相四拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組所需的脈沖式供電電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2.1 控制電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)選用ACTEL 公司的反熔絲系列芯片A54SX72A－CQ208B，該芯片資源有7.2 萬(wàn)典型門(mén)(Typical Gates)，171 個(gè)I/O 口，支持5 V 供電?？紤]到可調(diào)試性，本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中使用一片ALTERA 公司的SRAM 架構(gòu)芯片EPF10K50RI240，配置Flash存儲(chǔ)器EPC2TC32，可多次編程。

2.2 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IR2110 是采用自舉技術(shù)以輸出同一橋臂高側(cè)與低側(cè)信號(hào)的功率MOSFET 和IGBT 專(zhuān)用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路［3］。它采用HVIC 和閂鎖抗干擾CMOS 制造工藝，具有獨(dú)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(dá)500 kHz)的優(yōu)點(diǎn)。

功率部分采用2 片IR2110 驅(qū)動(dòng)4 片MOSFET構(gòu)成H 橋驅(qū)動(dòng)電路，如圖2 所示。IR2110 內(nèi)部由三個(gè)部分組成:邏輯輸入，電平平移及輸出保護(hù)。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(dá)500 V。

圖2 功率驅(qū)動(dòng)電路

圖2 中，電機(jī)繞組供電電源US為28 V，邏輯輸入信號(hào)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?？紤]到試驗(yàn)需要，MOSFET選用性能指標(biāo)接近的2N6796 替代，其最大工作電壓為100 V，最大電流為8 A，導(dǎo)通電阻為0.18 Ω。當(dāng)IN1 =0、IN2 =1 時(shí)，U1 的LO 端產(chǎn)生高電平，+12V 經(jīng)過(guò)D1、C5、VT2 接地，給C5 充電;當(dāng)IN1 =1、IN2 =0 時(shí)，C5 正極電壓經(jīng)過(guò)IR2110 內(nèi)部BJT、R1、VT1 回到C5 的負(fù)極，形成回路放電，VT1 導(dǎo)通，此時(shí)C5 相當(dāng)于電壓源［4－5］。VT1、VT2 與VT3、VT4 皆采用互補(bǔ)式輸入，并且根據(jù)極性方向信號(hào)，控制MOSFET 的導(dǎo)通與關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)繞組電流方向的控制。

采用IR2110 及MOSFET 構(gòu)成的H 橋驅(qū)動(dòng)電路較傳統(tǒng)的斬波恒流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路降低了約30%功耗;較LMD18200 等集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片顯著降低了芯片的工作溫度，并滿(mǎn)足空間抗輻照要求，適應(yīng)空間長(zhǎng)壽命的工作特點(diǎn)。

2.3 細(xì)分驅(qū)動(dòng)SPWM 控制策略

本文設(shè)計(jì)的電路采用了基于SPWM 的矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)細(xì)分法，即分別給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的兩相繞組通以正、余弦電流，使合成的電流矢量(或磁場(chǎng)矢量)在空間均勻旋轉(zhuǎn)［2］。采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)能有效改善步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，減弱或消除低頻振動(dòng)，提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度穩(wěn)定度。

本文采用異步調(diào)制方式，以正弦階梯波為調(diào)制波，鋸齒波為載波進(jìn)行比較，載波頻率為23.4 kHz。軟件程序設(shè)計(jì)中為避免同臂兩只開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的短路故障，設(shè)置1 μs 的開(kāi)關(guān)死區(qū)Δt。

3 運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

伺服控制器的控制功能由FPGA(可編程邏輯器件)實(shí)現(xiàn)，采用VHDL 語(yǔ)言。FPGA 的綜合、布局布線采用Altera 的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境QuartusⅡ8.1，功能仿真和時(shí)序仿真采用ModelSim 6.2。采用自頂至下的層次化設(shè)計(jì)方法，將主要功能模塊劃分為程控指令處理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、旋轉(zhuǎn)變壓器讀數(shù)處理模塊、遙測(cè)通信模塊。頂層模塊完成系統(tǒng)與外部信號(hào)的接口定義與連接;完成系統(tǒng)內(nèi)部各子模塊之間的信號(hào)互連處理，例化各子模塊;完成FPGA 器件的對(duì)外所有管腳定義和內(nèi)部狀態(tài)定義?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理框圖如圖3 所示。

圖3 FPGA 控制器功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖

指向機(jī)構(gòu)伺服控制系統(tǒng)工作原理如下:用戶(hù)通過(guò)16 位并行數(shù)據(jù)命令，進(jìn)行電機(jī)工作模式設(shè)定，包括驅(qū)動(dòng)模式、零位修正模式、歸零模式和急停模式四種，模式信號(hào)送入多路開(kāi)關(guān)完成模式選擇。驅(qū)動(dòng)模式下根據(jù)轉(zhuǎn)速與步距角的關(guān)系，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)頻率的脈沖，根據(jù)方向信號(hào)及更新的細(xì)分號(hào)，讀取正/余弦表中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)讀取的正余旋調(diào)制波數(shù)據(jù)與三角波發(fā)生器比較，輸出SPWM 脈寬調(diào)制信號(hào)，從而控制兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)頂層模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括更新模式指令模塊及產(chǎn)生細(xì)分?jǐn)夭K。程控指令處理模塊的輸出是本模塊的輸入控制信號(hào)，根據(jù)工作模式獲得速度的定時(shí)細(xì)分?jǐn)?shù)和占空比，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM 斬波信號(hào)信號(hào)。

本模塊功能包含更新電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)、產(chǎn)生細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘、輸出正弦波細(xì)分值和輸出PWM 斬波信號(hào)4 個(gè)功能。

3.2 更新速度指令模塊設(shè)計(jì)

本模塊根據(jù)通信處理模塊產(chǎn)生的電機(jī)速度信號(hào)，通過(guò)查找表的方式獲得該速度信號(hào)對(duì)應(yīng)的電機(jī)定時(shí)細(xì)分寄存器的值和占空比值更新內(nèi)部的速度值、占空比值、停轉(zhuǎn)標(biāo)志等;根據(jù)更新后的內(nèi)部寄存器，輸出相應(yīng)的細(xì)分時(shí)鐘、占空比、停轉(zhuǎn)標(biāo)志等。

本模塊為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)頂層模塊例化使用，輸出作為產(chǎn)生細(xì)分?jǐn)夭K的輸入。

3.3 產(chǎn)生細(xì)分?jǐn)夭K設(shè)計(jì)

本模塊根據(jù)更新速度指令模塊輸入的細(xì)分時(shí)鐘、占空比、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和停轉(zhuǎn)標(biāo)志，讀取正/余弦表中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行SPWM 斬波，輸出SPWM 信號(hào)和SD 使能信號(hào)。本模塊為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)頂層模塊例化使用。

正弦波采用256 點(diǎn)正弦表表示，且最大值設(shè)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(hào)輸出采用寄存器同步。以A 相繞組驅(qū)動(dòng)波形為例，波形仿真圖如圖4 所示。其中fraclk 為細(xì)分驅(qū)動(dòng)信號(hào)，pwm_count 為三角載波信為余弦調(diào)制波數(shù)據(jù)表，dira 為方向信號(hào)，sinoutput 為正弦調(diào)制波數(shù)據(jù)表，cosoutput 為余弦調(diào)制波數(shù)據(jù)表，pwmphase_a［0］為VT1 管柵極輸入波形，即圖2 中IN1 信號(hào)，pwmphase_a［1］為VT2 管柵極輸入波形，即IN2 信號(hào)，pwmphase_a［2］為VT3 管柵極輸入波形，即IN3 信號(hào)，pwmphase_a［3］為VT4 管柵極輸入波形，即IN4 信號(hào)。

圖4 電機(jī)產(chǎn)生細(xì)分?jǐn)夭K仿真圖

3.4 讀取旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本模塊采集兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)據(jù)，根據(jù)耦合方式處理旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)，并將旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)據(jù)提供給程控指令處理模塊。頂層模塊通過(guò)例化本模塊，實(shí)現(xiàn)采集位置的功能。

本文采用極對(duì)數(shù)為1∶ 16 的雙通道多極旋轉(zhuǎn)變壓器，粗、精速比為1∶ 16，即粗通道轉(zhuǎn)動(dòng)1 圈，精通道將轉(zhuǎn)動(dòng)16 圈［6］，因此粗機(jī)的第5 位應(yīng)與精機(jī)的第一位對(duì)齊。

在粗精數(shù)據(jù)組合中，由于粗精機(jī)械軸的傳動(dòng)誤差、減速器誤差、傳感器裝配誤差及雙軸復(fù)合裝配誤差，以及R/D 轉(zhuǎn)換器精度，使得粗精讀數(shù)組合時(shí)，需將精機(jī)數(shù)據(jù)與粗機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合糾錯(cuò)處理。本文以粗機(jī)的低2 位用于和精機(jī)的高兩位進(jìn)行耦合，即根據(jù)精通道的最高兩位(定義為J1、J2)與精通道權(quán)值相同的粗通道的對(duì)應(yīng)兩位(定義為C5、C6)，判斷出是否要對(duì)糾錯(cuò)位(粗通道中權(quán)值比精通道最高位高一位的數(shù)據(jù)位)進(jìn)行糾錯(cuò)。糾錯(cuò)邏輯可用下式表達(dá):如果J1J2 =00 且C5C6 =11，則C1C2C3C4 +1;如果J1J2 =11 且C5C6 =00，則C1C2C3C4－1。最后把經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)的粗通道高4 位數(shù)據(jù)和精通道數(shù)據(jù)直接組合即可。數(shù)據(jù)補(bǔ)償流程圖如圖5 所示。

圖5 粗精機(jī)數(shù)據(jù)耦合補(bǔ)償圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

利用ROMER 公司的關(guān)節(jié)臂INFINITE 2.07 軸測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試指向機(jī)構(gòu)的指向精度，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖6 所示。關(guān)節(jié)臂是關(guān)節(jié)臂測(cè)量?jī)x和便攜式三坐標(biāo)的一種簡(jiǎn)稱(chēng)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)采用基于旋轉(zhuǎn)變壓器的增量式位置閉環(huán)控制方法，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，較開(kāi)環(huán)控制定位精度高。

圖6 指向機(jī)構(gòu)精度測(cè)試

表1 指向機(jī)構(gòu)指向精度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)空間應(yīng)用指向機(jī)構(gòu)的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，采用基于旋轉(zhuǎn)變壓器的增量式位置閉環(huán)控制方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了FPGA+MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片和MOSFET 組成的H 橋式驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的指向機(jī)構(gòu)伺服控制器。同時(shí)，選用ACTEL 公司的反熔絲系列芯片A54SX72A－CQ208B 以及有輻照指標(biāo)的MOSFET 適合航天抗輻照及高可靠性要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片IR2110 構(gòu)成的H 橋驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了細(xì)分的SPWM 控制，能夠有效地構(gòu)建機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)過(guò)程的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有線路簡(jiǎn)單、定位精度高、有效降低芯片溫度、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，適用于航天空間輻照環(huán)境及高可靠性、長(zhǎng)壽命的要求。

［1］ 劉建章，劉剛，李光軍. 永磁同步電機(jī)多開(kāi)關(guān)HALL 的微步進(jìn)標(biāo)定方法及其矢量控制系統(tǒng)［J］. 微電機(jī)，2009，42(10):40－43.

［2］ 蔣范明，韓昌佩.空間應(yīng)用的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分電路設(shè)計(jì)［J］.微特電機(jī)，2012，40(2):74－76.

［3］ 譚建成.電機(jī)控制專(zhuān)用集成電路［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997:464－473.

［4］ 張純江，張金全.帶有“負(fù)偏壓”的IR2110 驅(qū)動(dòng)器［J］. 電力電子技術(shù)，2000(2):49－50.

［5］ 趙士強(qiáng)，侯傳教，王寬仁. 用ISP 器件和IR2110 芯片研制高壓多路波形發(fā)生器［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002(2):75－77.