交叉重組方法在帆板驅(qū)動線路中的應用研究

張興國, 周世安,雷海軍,李 慶,范松濤

（北京控制工程研究所 北京 100190）

交叉重組方法在帆板驅(qū)動線路中的應用研究

張興國, 周世安,雷海軍,李 慶,范松濤

（北京控制工程研究所 北京 100190）

帆板驅(qū)動線路（SADE: Solar Array Drive Electronics）和電機繞組的連接通常是固定的，即驅(qū)動線路的主備份分別連接電機繞組的主備份。原理上看，主備份線路是相互獨立的，但考慮主備份電機繞組是并繞模式，工作的電機繞組會通過電磁耦合施加電應力到非工作線路，從而對非通電器件產(chǎn)生應力沖擊，影響整機性能。本文通過在驅(qū)動線路和繞組間引入交叉重組設計，解決了主備份驅(qū)動線路之間的耦合影響，大大提高了可靠性。

帆板驅(qū)動線路；電磁耦合；交叉重組；可靠性

為了提高太陽電池陣的發(fā)電效率，越來越多的航天器安裝了帆板驅(qū)動裝置（SADA: Solar Array Drive Assembly），以驅(qū)動太陽帆板使之對日定向[1]，SADA的驅(qū)動源主要采用步進電動機[5]，電機繞組由主備份構(gòu)成，電機驅(qū)動線路也由主備兩個系統(tǒng)構(gòu)成，電機驅(qū)動線路和電機繞組的連接通常是固定的，即驅(qū)動線路的主備份分別接在電機繞組的主備份。從原理上看，主備份線路是相互獨立的。但考慮到主備份電機繞組通過電機的電磁耦合作用，工作線路會通過電機繞組影響到非工作線路。為從根本上解決主備份線路間的影響并簡化驅(qū)動線路的設計，提出了驅(qū)動線路和電機繞組交叉重組設計方法，其優(yōu)點是既保證了主備份線路間的最大隔離、實現(xiàn)真正的冷備份目標，同時保證在任一單份線路故障和任一單份繞組斷路故障同時出現(xiàn)時仍能使電機正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 驅(qū)動線路功能簡介

本文介紹的帆板驅(qū)動線路是應用于雙軸帆板驅(qū)動裝置（A軸和B軸），即同時驅(qū)動兩個步進電機轉(zhuǎn)動，A、B軸都采用二相電機，每臺電機的繞組均有主備份，每相繞組2根引出線，共8根引出線。整個驅(qū)動線路由二次電源模塊、控制線路、驅(qū)動線路和切換線路組成，控制線路是以80C32為核心的單片機系統(tǒng)，通過串行通訊口接收上位機發(fā)送的控制命令，控制驅(qū)動線路輸出電機繞組電流信號，使驅(qū)動機構(gòu)工作在不同的工作模式下，同時采集電機A軸和B軸零位信號，實時計算電機轉(zhuǎn)角，另外還具有遙測電機繞組電流、機構(gòu)軸溫和殼溫等遙測量功能，通過串口通訊發(fā)送到上位機。

如圖1所示，為保證衛(wèi)星高可靠的應用需求，整個線路由主、備份兩個相同系統(tǒng)組成，使用主份線路還是備份線路，是由切換板根據(jù)主備份系統(tǒng)的一次電源加電狀態(tài)自動切換，驅(qū)動線路連接電機主份繞組還是連接備份繞組，也由切換板根據(jù)上位機發(fā)送的繞組切換指令控制。

2 驅(qū)動線路和電機繞組交叉重組設計

以往的電機驅(qū)動線路和電機繞組的連接是固定的，即驅(qū)動線路的主備份分別接在電機繞組的主備份，原理上看，主備份線路是相互獨立的。但由于主備份電機繞組是并繞模式，工作的電機繞組會通過電磁耦合施加電應力到非工作線路，從而對非通電器件產(chǎn)生應力沖擊，另外，單份線路輸出接口處的器件失效，可能導致另一份也不能正常工作，使整機性能下降甚至失效，主備份達不到冗余設計目的。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig. 1 System block diagram

圖2 切換板原理框圖Fig. 2 Switching circuit diagram

為從根本上解決主備份線路間的影響并簡化驅(qū)動線路的設計，提出了驅(qū)動線路和電機繞組交叉重組的設計方法，在保留兩套相對獨立的主備份驅(qū)動線路的同時，增加切換線路，如圖2所示，在每路驅(qū)動輸出通路上設置前后兩組繼電器，使驅(qū)動線路主備份和電機繞組負載主備份連接均可控制，保證非工作的驅(qū)動線路和非工作的電機繞組經(jīng)繼電器隔離，不受工作繞組的電流影響，解決了主備份驅(qū)動線路之間的耦合影響，保證了電機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。根據(jù)主備份線路一次電源上電情況決定將電機繞組接在主份驅(qū)動線路還是備份驅(qū)動線路，繞組主備份切換是根據(jù)上位機控制單元的命令決定使用主份電機繞組還是備份電機繞組。

圖3 切換線路連接圖Fig. 3 Switching circuit connection diagram

采用這種交叉重組方式徹底解決了主備份線路間耦合的影響，并且通過切換控制，使帆板驅(qū)動線路驅(qū)動電機繞組工作具有4種驅(qū)動模式：主份線路驅(qū)動主份電機繞組、主份線路驅(qū)動備份電機繞組、備份線路驅(qū)動主份電機繞組、備份線路驅(qū)動備份電機繞組，在任一單份驅(qū)動線路故障和任一單份電機繞組斷路故障同時出現(xiàn)時,仍能保證電機正常工作，從而大大提高產(chǎn)品可靠性。

驅(qū)動線路本身已采用主備兩個系統(tǒng)冗余設計，因而切換線路的可靠性直接影響整個系統(tǒng)的可靠運行，為保證切換線路的可靠，設計時將每個繞組的每端由兩個繼電器并聯(lián)切換，繞組兩端的切換采用一個指令控制保證同時切換，每個繞組兩端的切換不在同一個繼電器上。如圖3所示，通過對切換線路矩陣設計，保證在任意一個繼電器出現(xiàn)故障時對切換功能沒有影響，從而保證整個系統(tǒng)的可靠性。

為保證A、B軸電機驅(qū)動的一致性，A、B軸電機的繞組主備切換采用同步進行，即A軸電機切用備份繞組，B軸電機同步也切用備份繞組，因而控制電機主備份繞組切換的所有繼電器線包可分2組驅(qū)動，由于主備份驅(qū)動線路切換只受一次電源加斷電狀態(tài)控制，所以控制驅(qū)動線路主備份切換的所有繼電器線包也只分2組驅(qū)動。為保證可靠性工作，每組線包驅(qū)動線路都采用2套并聯(lián)[6]，如圖4所示。

圖4 繼電器驅(qū)動線路Fig. 4 Relay drive circuit

繼電器驅(qū)動線路的指令輸入采用微分隔直處理，微分線路時間常數(shù) T≈4.7 μF×10 kΩ=47 ms，遠大于繼電器（設計選用TL26PF70YS）的最大動作時間2 ms。

考慮到繼電器TL26PF70YS的最小動作時間可以達到600 μs、比較靈敏，為防止驅(qū)動線路輸入端可能出現(xiàn)的干擾造成繼電器誤動作，線路增加了抗干擾濾波設計（電容C11～C14）。假定干擾脈沖為幅度5 V、寬度1 ms的信號，干擾不會造成繼電器誤動作的條件是：

所以選用兩個0.47 μF電容串聯(lián)可以滿足抗干擾要求，同時要求指令寬度大于10 ms，以保證切換可靠。

3 結(jié) 論

通過在帆板驅(qū)動線路和電機繞組間的交叉重組設計，使得主備份驅(qū)動線路間進行了最大隔離，保證系統(tǒng)可靠性運行，實現(xiàn)真正的冷備份冗余設計。同時保證在任一單份線路故障和任一單份繞組斷路故障時仍能使電機正常工作，從而大大提高了可靠性，本電路設計對同類線路設計具有很好的參考價值。

[1] 陸棟寧,劉一武.撓性太陽帆板驅(qū)動控制系統(tǒng)研究[J].空間控制技術(shù)與應用,2013,39(1):27-33.

LU Dong-ning,LIU Yi-wu.On the control of flexible solar array drive systems[J].Aerospace Control and Application,2013,39(1):27-33.

[2] 張猛.祝曉麗. 陸嬌娣.等.一種高穩(wěn)定度太陽帆板驅(qū)動機構(gòu)控制方法[J].空間控制技術(shù)與應用.2010,36(4):46-49.ZHANG Meng,ZHU Xiao-li,Lu Jiao-di,et al.A high stability

control method for solar array drive mechanism[J].Aerospace Control and Application,2010,36(4):46-49.

[3] 高星,王友平. 太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)通用化系列化合組合化設計[J].空間科學學報,2002(22):55-68.

GAO Xing,WANG You-ping. The universalization-,serialization-,and modularization design of solar array drive assembly (SADA) [J]. Chinese Journal of Space Science,2002(22): 55-68.

[4] 王凱,李杏春,王占國.一種磁保持繼電器驅(qū)動電路的設計[J].儀器儀表用戶,2008,15(3):66 -67.

WANG Kai,LI Xing-chun,WANG Zhan-guo.Design of driver circuit for magnetric self-perpetuating relay[J].Electrical Instrumentation & Consumer,2008,15(3):66 -67.

[5] 周忠輝.步進電機驅(qū)動的實現(xiàn)方法[J].儀器儀表與傳感器,2004(11):61-62.

ZHOU Zhong-hui.Way to drive stepper motor [J].Instrument technique and sensor,2004(11):61-62.

[6] 錢金川, 朱守敏.可靠性技術(shù)在繼電器控制中的應用[J].低壓電器,2007(7):9-11.

QIAN Jin-chuan, ZHU Shou-min. Application of eliability technology for relay control[J]. Low Voltage Apparatus,2007(7):9-11.

Study of the cross recombination method used in solar array drive electronics

ZHANG Xing-guo, ZHOU Shi-an, LEI Hai-jun, LI Qing, FAN Song-tao
（ Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China）

Solar Array and motor coils is usually fixed together. That is to say, the main backup of the drive electronics respectively connected to the main backup of the motor coils. In principle, the main and the backup circuit are separated between each other. But the mode of the main backup coils is parallel wound. The working motor coils will exert electric stress to non-working coils by electromagnetic coupling. That will produce stress to the non-powed components, and impact the performance of the drive electronics. In this paper, we design cross recombinations between the array driving circuit and motor coils, which can eliminate the electromagnetic coupling effects between the main and the backup circuit, and greatly improve the reliability.

SADE; electromagnetic coupling; cross recombinations; reliability

TN710

A

1674-6236(2014)03-0178-03

2013–07–03 稿件編號：201307031

張興國(1978—)，男，江蘇灌云人，碩士，工程師。研究方向：星載計算機及可靠性設計。