CN107017809A - 一种星上低功耗高精度二维指向机械驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种星上低功耗高精度二维指向机械驱动器，包括：电源模块，将驱动器接收的电源变换成驱动器内部所需的控制电源；控制模块，接收上位机的串行指令，并发送反馈信号；通过解算控制指令控制FPGA发送步进电机驱动信号；FPGA将输出的绕组电流波形细分成N级近似阶梯波驱动电机，使电机绕组的电流信号逼近模拟连续信号；驱动模块，对控制模块产生的驱动信号进行功率放大。本发明提供的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器，采用PWM驱动完全利用大晶体管开关特性对固定的直流电压进行调制，从而降低了驱动功耗，解决了原星上驱动器功耗大，体积大，重量重等问题；该驱动器能驱动二维指向机构完成规定范围内的运动，并大大降低同样工况下的功耗。

Description

一种星上低功耗高精度二维指向机械驱动器
技术领域
本发明涉及空间技术领域，特别涉及一种星上低功耗高精度二维指向机械驱动器。
背景技术
现役飞行卫星太阳阵驱动器均采用传统的恒流驱动方式，该方式通过控制驱动大功率晶体管的基极，使晶体管的集电极和发射极绝大部分时间工作在放大状态(晶体管的集电极和发射极的其它工作时间处于饱和导通状态以及关断截止状态)，处于放大状态时的晶体管电流损耗大，导致传统驱动器功耗过大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星上低功耗高精度二维指向机械驱动器，以解决现役飞行卫星太阳阵驱动器采用的恒流驱动方式，使处于放大状态时的晶体管电流损耗大，导致传统驱动器功耗过大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种星上低功耗高精度二维指向机械驱动器，包括：电源模块，将驱动器接收的电源变换成所述驱动器内部所需的控制电源；控制模块，接收上位机的串行指令，并发送反馈信号；通过解算控制指令控制FPGA发送步进电机驱动信号；FPGA将输出的绕组电流波形细分成N级近似阶梯波驱动电机，使电机绕组的电流信号逼近模拟连续信号；驱动模块，对所述控制模块产生的驱动信号进行功率放大。
进一步地，所述电源模块将驱动器接收的一次母线+28v电源，变换成所述驱动器内部所需的+5v和±12v控制电源。
进一步地，FPGA将接收到的电机控制指令，以正弦波作为基准波，用FPGA对晶振进行计数，输出一列不对称三角波信号，作为载波与正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。
进一步地，当正弦波高于三角波时，则使相应的开关器件导通；当正弦波低于三角波时，开关器件截止，从而调制成对应的脉宽调制信号驱动电机。
进一步地，所述驱动模块采用两组H桥驱动组件，对二维指向机构电机的两个绕组进行控制。
进一步地，控制模块中的CPU通过RS-422接口接收上位机的串行指令，并发送反馈信号。
本发明提供的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器，其驱动方式从原来的恒流源驱动改为脉宽调制(PWM)驱动，PWM驱动完全利用大晶体管开关特性对固定的直流电压进行调制，从而降低了驱动功耗，解决了原星上驱动器功耗大，体积大，重量重等问题；采用细分驱动技术将步进电机固定步距角转动方式划分为在细小时间内转动微小角度并保持微步内转子磁场平衡，以提高二维机构指向精度和稳定度。该驱动器能驱动二维指向机构完成规定范围内的运动，并大大降低同样工况下的功耗。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为本发明实施例提供的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器模块结构示意图；
图2为本发明实施例提供的对半周期细分数为9时步进电机SPWM细分斩波驱动示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器，其驱动方式从原来的恒流源驱动改为脉宽调制(PWM)驱动，PWM驱动完全利用大晶体管开关特性对固定的直流电压进行调制，从而降低了驱动功耗，解决了原星上驱动器功耗大，体积大，重量重等问题；采用细分驱动技术将步进电机固定步距角转动方式划分为在细小时间内转动微小角度并保持微步内转子磁场平衡，以提高二维机构指向精度和稳定度。该驱动器能驱动二维指向机构完成规定范围内的运动，并大大降低同样工况下的功耗。
图1为本发明实施例提供的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器模块结构示意图。参照图1，星上低功耗高精度二维指向机械驱动器包括：电源模块11，将驱动器接收的电源变换成所述驱动器内部所需的控制电源；控制模块12，接收上位机13的串行指令，并发送反馈信号；通过解算控制指令控制FPGA发送步进电机驱动信号；FPGA将输出的绕组电流波形细分成N级近似阶梯波驱动电机，使电机绕组15的电流信号逼近模拟连续信号；驱动模块14，对所述控制模块12产生的驱动信号进行功率放大。
在本发明实施例中，所述驱动模块14采用两组H桥驱动组件，即驱动模块14包括X轴驱动模块14a以及Y轴驱动模块14b，对二维指向机构16的两个电机绕组进行控制，即X轴电机绕组15a和Y轴电机绕组15b。
在本发明实施例中，所述电源模块11将驱动器接收的一次母线+28v电源，变换成所述驱动器内部所需的+5v和±12v控制电源；控制模块12中的CPU通过RS-422接口接收上位机13的串行指令，并发送反馈信号。
进一步地，FPGA将接收到的电机控制指令，以正弦波作为基准波，用FPGA对晶振进行计数，输出一列不对称三角波信号，作为载波与正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。当正弦波高于三角波时，则使相应的开关器件导通；当正弦波低于三角波时，开关器件截止，从而调制成对应的脉宽调制信号驱动电机。
本发明提供的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器采用FPGA实现二维步进电机SPWM细分斩波驱动方式。该方式利用脉宽调制技术使大功率管完全工作在饱和导通(接通)和关断截止状态(断开)，减少了晶体管不必要的电流损耗，将输入的控制电压转换成固定频率的矩形波，通过调节矩形波“占空比”从而控制功率管通断时间的长短，即改变输出到电机绕组上的平均电流，从而改变步进电机输出力矩大小，解决步进电机高速转动力矩下降的缺点。SPWM斩波的特点是：当电机速度一定时，半个周期中，输出的脉冲幅值相同，频率相同，矩形波中间占空比大，两端占空比小，各脉冲面积与该区间正弦波下的面积成正比，这样输出电压中的低次谐波分量可以大大减少。
采用细分驱动技术将步进电机固定步距角转动方式划分为在细小时间内转动微小角度并保持微步内转子磁场平衡，以提高二维机构指向精度和稳定度的技术。当全步距角细分数足够大时，电机绕组的电流信号就逼近模拟连续信号。
细分驱动控制的关键是用细分电流波形来控制步进电机各相绕组中的电流，本发明提供的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器用FPGA实现对正弦波进行细分，采用SPWM形式输出斩波。电机转速不同，脉冲周期(正弦波周期)不同，一个脉冲周期，电机固定走4个步距角，就可以计算在不同速度下，对一个脉冲周期进行n细分后的每个细分点时间：假定当前电机速度为ω，步距角为θ，细分数为n，则在该电机速度下每个细分点持续时间T为：
T＝4×θ/(ω×n) (1)
图2为本发明实施例提供的对半周期细分数为9时步进电机SPWM细分斩波驱动示意图。参照图2，FPGA对晶振进行计数，输出一列不对称三角波信号，作为载波。例如FPGA晶振为24MHz，斩波计数器位宽设置为10位，当计满全’1’，则重新开始计数，否则每一个时钟上升沿，对计数器加’1’操作，则实现固定频率为23.4375KHz，最大幅值为1023的非对称三角波。
FPGA例化一张细分表，用于存放将正弦波进行n个细分的细分点值，图2以半周期细分数为9举例说明斩波输出方式，图中半周期阶梯波形数量为9。设置可调占空比，用于改变输出绕组上的平均电流值，所以经过占空比处理的正弦细分表值作为基准波(调制波)用于和非对称三角波(载波)进行比较，当正弦基波的值大于三角波的值，则输出的斩波脉冲为高电平，否则为低电平。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种星上低功耗高精度二维指向机械驱动器，其特征在于，包括：
电源模块，将驱动器接收的电源变换成所述驱动器内部所需的控制电源；
控制模块，接收上位机的串行指令，并发送反馈信号；通过解算控制指令控制FPGA发送步进电机驱动信号；FPGA将输出的绕组电流波形细分成N级近似阶梯波驱动电机，使电机绕组的电流信号逼近模拟连续信号；
驱动模块，对所述控制模块产生的驱动信号进行功率放大。
2.如权利要求1所述的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器，其特征在于，所述电源模块将驱动器接收的一次母线+28v电源，变换成所述驱动器内部所需的+5v和±12v控制电源。
3.如权利要求1所述的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器，其特征在于，FPGA将接收到的电机控制指令，以正弦波作为基准波，用FPGA对晶振进行计数，输出一列不对称三角波信号，作为载波与正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。
4.如权利要求3所述的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器，其特征在于，当正弦波高于三角波时，则使相应的开关器件导通；当正弦波低于三角波时，开关器件截止，从而调制成对应的脉宽调制信号驱动电机。
5.如权利要求1所述的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器，其特征在于，所述驱动模块采用两组H桥驱动组件，对二维指向机构电机的两个绕组进行控制。
6.如权利要求1所述的星上低功耗高精度二维指向机械驱动器，其特征在于，控制模块中的CPU通过RS-422接口接收上位机的串行指令，并发送反馈信号。
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