CN107196403B - 一种适用于长期连续工作的太阳电池阵驱动器 - Google Patents

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Abstract

针对卫星太阳电池阵需要长时间跟踪太阳的需要，本发明提出了一种低功耗、结构紧凑、重量轻、散热性能良好、稳定可靠并能够进行远程监控的机构驱动器。驱动器包括：电源模块、控制模块、通信模块、驱动模块、信号采集模块、遥测输出模块。通过通信接口将控制信号送至控制模块，控制模块处理后，经驱动模块实现两台步进电机的驱动控制；信号采集模块采集安装在驱动机构上的零位霍尔传感器的信号，对驱动机构的位置进行控制；遥测输出模块及通信模块将驱动器的状态参数反馈到远程计算机上，实现驱动机构的位置、驱动机构电机电流、温度等信号的实时监测。该驱动器能够驱动太阳电池阵实现长期进行360°连续转动、任意角度往复摆动。

Description

一种适用于长期连续工作的太阳电池阵驱动器
技术领域
本发明涉及空间技术领域，适用于两个太阳电池阵驱动机构的驱动控制，特指需要长期连续跟踪太阳的中低轨卫星。
背景技术
太阳电池阵驱动器是空间卫星、空间站等飞行器上的重要单机，太阳电池阵在光照区接受光照，并将转换为电能作为整星的能量来源，太阳电池阵驱动器主要实现太阳电池阵对日定向的功能，使太阳电池阵面能够有效地接受光照。太阳电池阵驱动器通过RS422接口与上位机进行通讯，接收控制指令，驱动太阳电池阵进行跟踪太阳、捕获太阳、伺服、归零等动作，驱动器检测安装在驱动机构上的零位信号传感器的信号用于归零和角度修正，并将驱动器的工作参数实时下传至地面，监测驱动器的工作状态和太阳电池阵的位置。
目前，国内的太阳电池阵驱动器功耗较大，对于连续工作的太阳电池阵驱动器，驱动模块的发热量较大，散热性能欠佳，需要在芯片上增加散热片来降低芯片和驱动器的稳定，由此带来了驱动器重量增加的问题，使发射成本随之增加；太阳电池阵驱动机构的位置是对日定向功能的重要控制信息，一旦位置信号传感器出现故障，太阳电池阵无法实现归零等动作，可能导致太阳电池阵无法获取最佳光照效果或减少了太阳电池阵接受光照的时间，由此导致整星的发电效降低，若通过增加太阳电池阵的布片面积来提高发电能力，由此会造成重量和发射成本的增加，所以确保太阳电池阵驱动器的高可靠性至关重要。
发明内容
本发明要求解决的问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种能长期连续工作的太阳电池阵驱动器。
本发明采用的技术方案是：
一种适用于长期连续工作的太阳电池阵驱动器，所述太阳电池阵驱动器包括主份控制线路、备份控制线路和公共模块，公共模块与主份控制线路和备份控制线路相连，主份控制线路和备份控制线路结构相同，完全隔离，互为备份。
进一步地，所述主份控制线路包括主份通信模块、主份电源模块、主份控制模块和主份驱动模块；所述备份控制线路包括备份通信模块、备份电源模块、备份控制模块和备份驱动模块；
主份通信模块通过主份控制模块与主份驱动模块相连，主份电源模块与主份通信模块、主份控制模块和主份驱动模块相连；备份通信模块通过备份控制模块与备份驱动模块相连，备份电源模块与备份通信模块、备份控制模块和备份驱动模块相连。
进一步地，所述公共模块包括指令切换模块、信号采集模块和遥测输出模块，信号采集模块与主份控制模块和备份控制模块连接，遥测输出模块与信号采集模块连接。
进一步地，当指令切换模块切换到主份控制线路时，指令切换模块与主份电源模块相连，主份电源模块给遥测输出模块和信号采集模块供电；当指令切换模块切换到备份控制线路时，指令切换模块与备份电源模块相连，备份电源模块给遥测输出模块和信号采集模块供电。
进一步地，所述主份通信模块包括电平转换芯片和串口处理芯片，电平转换芯片与串口处理芯片连接，串口处理芯片与主份控制模块连接；
主份通信模块接受外部信号时，电平转换芯片将差分信号转换成串行数据，串口处理芯片将串行数据转换成并行数据发送给主份控制模块；
主份通信模块向外部发送信号时，主份控制模块将数据发送给串口处理芯片进行并串处理，再由电平转换芯片转换成差分信号向外部发送。
进一步地，所述主份驱动模块为电机主绕组提供驱动电流，所述备份驱动模块为电机备绕组提供驱动电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明工作功耗小，实测为4.06W。太阳电池阵驱动器需要长时连续工作，一种低功耗的驱动器将有效地节约整星的能源。
2、本发明将发热器件(功耗为200W及以上)分布在结构机壳的底板上，器件与机构壳体接触，有效地将发热器件的热源传导到机壳上，降低器件温度，提高器件的使用可靠度和寿命。
3、本发明具有冗余零位信号检测功能，主线路(备线路)能同时采集0°主零位信号、0°备零位信号、90°主零位信号、90°备零位信号。软件在检测到四路零位信号后，先进行合法性检查，将因零位传感器故障引发的“恒高电平”(高电平信号保持大于7.2°)信号和因受干扰输出窄脉冲误零位信号剔除。若经过合法性检查后该角度存在主零位信号和备零位信号同时有效的情况，则优先使用该角度主零位信号，若检查后主零位信号和备零位信号只剩余一路，则使用该角度剩余的这路信号，若检查后主零位信号和备零位信号都没有，则不使用该角度。驱动器有0°和90°两个角度采集，优先使用0°角度信号，当0度角度信号失效时，使用90°角度信号。通过这种冗余方式，以较小的代价有效地降低了因角度失效使驱动器失效的概率，提高了驱动器的可靠性。
4、本发明能精确地控制电机绕组的电流值，在两相四拍步进电机驱动方式基础上，调整矩形驱动电流波形为正弦电流波形，使电机运行更平滑。
附图说明
图1是本发明原理框图。
图2是本发明主份控制模块电路原理图。
图3是本发明主份通信模块电路原理图。
图4是本发明主份电机电流极性幅值输出电路原理图。
图5是本发明主份驱动模块电路原理图。
图6是本发明主份电源模块电路原理图。
图7是本发明信号采集模块电路原理图。
图8是本发明遥测输出中电流遥测电路原理图。
图9是本发明指令切换模块电路原理图。
附图标记：
1、主份通信模块 2、主份电源模块
3、主份控制模块 4、主份驱动模块
5、信号采集模块 6、备份驱动模块
7、备份控制模块 8、备份电源模块
9、备份通信模块 10、指令切换模块
11、遥测输出模块 21、主份达林顿管
22、数字信号处理器 23、芯片电源监控芯片
24、电平转换芯片 25、串口处理芯片
26、主份MOS管 27、电压输出芯片
28、第二DC/DC转换器 29、模拟开关
30、遥测跟随电路 31、磁保持继电器
32、负反馈的跟随电路 33、第一DC/DC转换器
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，太阳电池阵驱动器包括主份通信模块1、主份电源模块2、主份控制模块3、主份驱动模块4、备份通讯模块9、备份电源模块8、备份控制模块7、备份驱动模块6、指令切换模块10、信号采集模块5和遥测输出模块11。因主备份模块设计一致，这里只介绍主份模块。
如图2所示，为本发明中的主份控制模块3，主份控制模块主要由数字信号处理器和逻辑器件组成，主要功能是RS-422通讯串口双向通讯应用层的处理，采集驱动机构位置信号等有效信息用于参与控制和遥测反馈，电源监控和看门狗功能等。主份控制模块3核心为单片机80C32数字信号处理器22，P0.0-P0.7是数字信号处理器的数字总线和低八位地址总线的复用信号，通过ALE信号选择。P2.0-P2.7是数字信号处理器的高八位地址总线，
Figure BDA0001298891030000051
和
Figure BDA0001298891030000052
信号分别为数字信号处理器的写、读信号。数字信号处理器的看门狗功能由MAX692芯片电源监控芯片23实现。P1.3-P1.6输出电机驱动的波形极性。
如图3所示，为本发明中的主份通信模块1。主份通信模块1包括RS-422电平转换芯片24和串口处理芯片25，它将接收到的标准RS-422串口信号转换成可供数字信号处理器数据总线读取的数据和将数字信号处理器往外写的数据转换成标准的RS-422信号发送出去。D0-D7连数据总线上。A0-A1连地址总线上。接收过程中，电平转换芯片24将标准的RS-422差分信号转换成单信号，由82C52串口处理芯片25将串行数据转换成并行数据，放在数据总线上由数字信号处理器22读取。发送过程中，数字信号处理器22将数据放入地址总线，串口处理芯片进行并串处理，再由电平转换芯片24转换成差分信号发送出去。
如图4所示，AD558电压输出芯片27输出电机绕组正弦电流的幅值，P1.3-P1.6输出电机绕组正弦电流的极性。
如图5所示，为本发明中的主份驱动模块4，主份驱动模块4主要为电机绕组提供驱动电流，采用的驱动方式为正弦细分的电流恒定驱动。V1是主份达林顿管21，V11、V21、V31、V41是主份MOS管26。
如图6所示，为本发明中的主份电源模块2，主份电源模块2是转换整星提供的一次电源为驱动器所需的二次电源，驱动器需要的二次电源有5V、12V和-12V三种电源。第一DC/DC转换器33将+30V一次直流电转换成+5V二次电源。第二DC/DC转换器28将+30V一次直流电转换成+12V和-12V二次电源。在前端还设计了缓启电路消除驱动器上电时刻浪涌电流对系统的影响。RZ1-RZ4、CZ1-CZ4、RZ5和VZ1构成缓启电路。
如图7所示，为本发明的信号采集模块5，信号采集模块5主要将0°零位和90°零位霍尔传感器的信号采集进来，转给数字信号处理器。信号采集模块5将八路零位信号(单轴四路，双轴八路)经过54HC244滤波后经CC4053模拟开关29转换成主份八路零位信号和备份八路零位信号共16路信号。零位信号连入数据总线，通过两次读操作读入数字信号处理器22。
如图8所示，为本发明中的遥测输出模块11中的电流遥测。电流采样通过一个串接在电机绕组驱动电流流经路线的3Ω的电阻的电压值来表征，再通过遥测跟随电路30发送给整星的遥测。
驱动器的状态参数和驱动机构的位置信号由主控通信模块发送给整星的遥测。
如图9所示，为本发明的指令切换模块10，指令切换模块10主要用于主线路和备线路的切换。驱动器接收到“驱动机构加电”指令后，接通驱动机构的电源。驱动器接收到“驱动机构断电”指令后，断开驱动机构的电源。驱动器接收到“驱动线路备开主关”指令后，驱动器切换到备份控制线路工作。驱动器接收到“驱动线路主开备关”指令后，驱动器切换到主份控制线路工作。对四条遥控指令的执行是通过OC门指令控制磁保持继电器31的开关动作来完成。其中控制驱动机构加断电的继电器采用了并联冗余的方案，提高系统的可靠性。
工作原理：驱动器上电之后，驱动器默认工作在主线路。主份电源模块2为整机提供持续稳定的电源。主份控制模块3的数字信号处理器22开始初始化程序，设置主份通信模块1的串口参数，使通信处于可双向通信的状态，设置2个驱动机构处于停转状态，默认2个驱动机构的角度为-47°。远程计算机发送“驱动机构加电”指令后，驱动器接通驱动机构的电源。当远程计算机发送RS422通讯指令后，由主份通信模块1接收后放在数据总线上，并触发中断，主份控制模块3中的数字信号处理器22执行读操作，采集到该数据并按照通信协议解析，得到正确的工作模式和电机转动速度。数字信号处理器22执行电机驱动程序，装订好电机极性、速度和电流值，通过IO操作将极性输出在P1.3-P1.6，通过写操作将电流值输出到AD558电压输出芯片中，主份驱动模块4根据电流极性控制MOS管的导通和关断，进而决定电机绕组的电流正反向。根据电流幅值通过负反馈的跟随电路32控制流经绕组电流的幅值。数字信号处理器22在主循环中通过读操作不断读取零位传感器的状态，在没有读取到有效的零位信号时，数字信号处理器22以电机的驱动速度计算当前角度值。在读取到有效的0°信号后，将角度设置为0°。当有新的通信来临时，通过中断数字信号处理器22及时响应，刷新电机驱动模块内的参数，改变电机驱动方向和速度，同时刷新状态参数。数字信号处理器22将状态参数组帧，通过写操作写入串口处理芯片25。串口处理芯片25将数据发送出去。
需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种适用于长期连续工作的太阳电池阵驱动器，其特征在于，所述太阳电池阵驱动器包括主份控制线路、备份控制线路和公共模块，公共模块与主份控制线路和备份控制线路相连，主份控制线路和备份控制线路结构相同，完全隔离，互为备份;
所述主份控制线路包括主份通信模块（1）、主份电源模块（2）、主份控制模块（3）和主份驱动模块（4）；所述备份控制线路包括备份通信模块（9）、备份电源模块（8）、备份控制模块（7）和备份驱动模块（6）；
主份通信模块（1）通过主份控制模块（3）与主份驱动模块（4）相连，主份电源模块（2）与主份通信模块（1）、主份控制模块（3）和主份驱动模块（4）相连；备份通信模块（9）通过备份控制模块（7）与备份驱动模块（6）相连，备份电源模块（8）与备份通信模块（9）、备份控制模块（7）和备份驱动模块（6）相连;
所述公共模块包括指令切换模块（10）、信号采集模块（5）和遥测输出模块（11），信号采集模块（5）与主份控制模块（3）和备份控制模块（7）连接，遥测输出模块（11）与信号采集模块（5）连接;
当指令切换模块（10）切换到主份控制线路时，指令切换模块（10）与主份电源模块（2）相连，主份电源模块（2）给遥测输出模块（11）和信号采集模块（5）供电；当指令切换模块（10）切换到备份控制线路时，指令切换模块（10）与备份电源模块（8）相连，备份电源模块（8）给遥测输出模块（11）和信号采集模块（5）供电;
所述主份通信模块（1）包括电平转换芯片（24）和串口处理芯片（25），电平转换芯片（24）与串口处理芯片（25）连接，串口处理芯片（25）与主份控制模块（3）连接；主份通信模块（1）接受外部信号时，电平转换芯片（24）将差分信号转换成串行数据，串口处理芯片（25）将串行数据转换成并行数据发送给主份控制模块（3）；主份通信模块（1）向外部发送信号时，主份控制模块（3）将数据发送给串口处理芯片（25）进行并串处理，再由电平转换芯片（24）转换成差分信号向外部发送;
主份控制模块3，主份控制模块由数字信号处理器和逻辑器件组成，功能是RS-422 通讯串口双向通讯应用层的处理，采集驱动机构位置信号有效信息用于参与控制和遥测反馈，电源监控和看门狗功能；主份控制模块3 核心为单片机80C32 数字信号处理器22，P0.0-P0.7是数字信号处理器的数字总线和低八位地址总线的复用信号，通过ALE 信号选择；P2.0-P2.7 是数字信号处理器的高八位地址总线，WR和RD信号分别为数字信号处理器的写、读信号；数字信号处理器的看门狗功能由MAX692 芯片电源监控芯片23 实现；P1.3-P1.6 输出电机驱动的波形极性；
主份通信模块1 包括RS-422电平转换芯片24 和串口处理芯片25，它将接收到的标准RS-422 串口信号转换成可供数字信号处理器数据总线读取的数据和将数字信号处理器往外写的数据转换成标准的RS-422 信号发送出去；D0-D7 连数据总线上；A0-A1 连地址总线上；接收过程中，电平转换芯片24 将标准的RS-422 差分信号转换成单信号，由82C52 串口处理芯片25 将串行数据转换成并行数据，放在数据总线上由数字信号处理器22 读取；发送过程中，数字信号处理器22 将数据放入地址总线，串口处理芯片进行并串处理，再由电平转换芯片24 转换成差分信号发送出去；
主份驱动模块4为电机绕组提供驱动电流，采用的驱动方式为正弦细分的电流恒定驱动；V1 是主份达林顿管21，V11、V21、V31、V41 是主份MOS 管26；
主份电源模块2，是转换整星提供的一次电源为驱动器所需的二次电源，驱动器需要的二次电源有5V、12V 和-12V 三种电源；第一DC/DC 转换器33 将+30V 一次直流电转换成+5V 二次电源；第二DC/DC 转换器28 将+30V 一次直流电转换成+12V 和-12V 二次电源；在前端还设计了缓启电路消除驱动器上电时刻浪涌电流对系统的影响；RZ1-RZ4、CZ1-CZ4、RZ5 和VZ1 构成缓启电路；
信号采集模块5，将0°零位和90°零位霍尔传感器的信号采集进来，转给数字信号处理器；信号采集模块5 将八路零位信号，其中单轴四路，双轴八路，经过54HC244 滤波后经CC4053 模拟开关29 转换成主份八路零位信号和备份八路零位信号共16 路信号；零位信号连入数据总线，通过两次读操作读入数字信号处理器22；
遥测输出模块11 中的电流遥测；电流采样通过一个串接在电机绕组驱动电流流经路线的3Ω的电阻的电压值来表征，再通过遥测跟随电路30 发送给整星的遥测；
指令切换模块10用于主线路和备线路的切换；驱动器接收到“驱动机构加电”指令后，接通驱动机构的电源；驱动器接收到“驱动机构断电”指令后，断开驱动机构的电源；驱动器接收到“驱动线路备开主关”指令后，驱动器切换到备份控制线路工作；驱动器接收到“驱动线路主开备关”指令后，驱动器切换到主份控制线路工作；对四条遥控指令的执行是通过OC门指令控制磁保持继电器31 的开关动作来完成；其中控制驱动机构加断电的继电器采用了并联冗余的方案，提高系统的可靠性。
2.如权利要求1 所述的太阳电池阵驱动器，其特征在于，所述主份驱动模块（4）为电机主绕组提供驱动电流，所述备份驱动模块（6）为电机备绕组提供驱动电流。
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