CN109194213A - 一种星载步进电机驱动电路的热备份控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种星载步进电机驱动电路的热备份控制电路，包括：FPGA模块，用于通过有限的数字化电压量模拟正弦波电流作为电流给定信号并与绕组的电流采样信号进行比较，得到控制功率器件通断时间的PWM信号；第一H桥驱动电路、第二H桥驱动电路，用于在PWM信号的控制下切换磁保持继电器的开关状态以分别驱动步进电机的主绕组和备份绕组；绕组检测模块用于获取绕组的电流采样信号；双冗余译码输出驱动电路，用于对FPGA模块输出的绕组切换信号进行译码输出以控制与步进电机相连的磁保持继电器的通、断，从而进行绕组的热备份。本发明电路简单、体积小、可靠性高，用于驱动星载的微波遥感天线或光学天线的适应性和通用性较好。
Description
技术领域
本发明涉及星载步进电机驱动控制技术领域，特别涉及一种星载步进电机驱动电路的热备份控制电路。
背景技术
风云四号卫星是我国第二代静止轨道气象卫星，实现大气温度和湿度参数的垂直结构观测。毫米波亚毫米波温湿探测仪是风云四号卫星的搭载有效载荷，主要用来收集地球静止轨道微波遥感数据用于地面应用研究。步进电机驱动机构驱动天线反射镜组稳定旋转和调转，检测天线反射组相对于基准零位的位置信息，向信息单元发送遥测数据。
驱动控制器是步进电机驱动机构的一部分，其控制对象为试验载荷的天线，驱动机构为步进电机直驱模式。现有的驱动控制方法难以实现星载步进电机驱动电路的变驱动力矩和高可靠性的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星载步进电机驱动电路的热备份控制电路，以实现星载步进电机驱动电路的变驱动力矩和高可靠性的要求。
为实现上述目的，本发明提供了一种星载步进电机驱动电路的热备份控制电路，其特征在于，包括：FPGA模块、双冗余译码输出驱动电路、第一H桥驱动电路、第二H桥驱动电路及绕组检测模块；
所述FPGA模块用于通过有限的数字化电压量模拟正弦波电流作为电流给定信号，并将所述电流给定信号与电机绕组的电流采样信号进行比较，得到控制功率器件通断时间的PWM信号；
第一H桥驱动电路、第二H桥驱动电路用于在所述PWM信号的控制下切换磁保持继电器的开关状态以分别驱动步进电机的主绕组和备份绕组；
绕组检测模块用于获取所述主绕组和备份绕组的电流采样信号；
所述双冗余译码输出驱动电路用于对所述FPGA模块输出的绕组切换信号进行译码输出以控制与步进电机相连的磁保持继电器的通、断，从而进行绕组的热备份。
较佳地，所述FPGA模块包括FPGA电路、DAC8412电路、第一电压比较器、第二电压比较器、第一触发器及第二触发器，
所述FPGA电路进行电流细分控制，以获取主绕组设定电流及备绕组设定电流；
所述主绕组设定电流及备绕组设定电流分别输入所述DAC8412电路进行回读处理得到主绕组电流给定信号及备绕组电流给定信号；
第一电压比较器将主绕组电流给定信号与主绕组的电流采样信号进行比较，如果电流给定信号比实测电流信号大，经由第一触发器控制第一H桥驱动电路的上桥臂导通，增加绕组中电流，控制上桥臂截止并使下桥臂导通，从而减小主绕组中的电流；
第二电压比较器将备绕组电流给定信号与备绕组的电流采样信号进行比较，如果电流给定信号比实测电流信号大，经由第二触发器控制第二H桥驱动电路的上桥臂导通，增加绕组中电流，控制上桥臂截止并使下桥臂导通，从而减小备绕组中的电流。
较佳地，所述FPGA模块采集2个电机绕组的电流采样信号，并采集AD2S80A的角度数据、霍尔信号，以计算电机绕组的旋转周期并进行位置判断和速度控制，以及根据电流采样信号判断电机绕组工作状态以生成所述绕组切换信号。
较佳地，还包括监测电路，用于实时测量电机电流、电机温度、驱动电压、H桥组件表面温度，对监测结果进行判断和故障处理，同时将统计的遥测数据按系统规定的数据格式通过通讯接口报告指令单元。
较佳地，所述第一H桥驱动电路、第二H桥驱动电路分别包括一片LMD18200芯片及其外围电路，所述LMD18200芯片分别用于驱动一台2相步进电机。
较佳地，该热备份控制电路设于驱动控制电路板上，其所需的驱动电源和控制电源由电源板产生，所述驱动控制电路板及电源板以栈接方式安装。
本发明以FPGA为控制器，FPGA具备强大的信号采集和处理能力，能够运行先进的控制算法，完成复杂的系统状态管理。FPGA可重复编程，对I/O口也可以重复配置，使系统设计变得简单、灵活，可以减少器件数量、种类和设计的复杂度。FPGA模块化设计的优点和并行的工作机制可以同时控制多台步进电机，是实现主份、备份绕组同步工作的基础。采用集成度高的可编程器件，减少分立元件和外围电路，节省了成本，也提高了系统的可靠性。
通过软件指令在线设定绕组电流的幅值来调节电机输出力矩，充分发挥步进电机的工作性能来适应负载的变化。经过设计、仿真和环境试验验证该设计满足研制要求。驱动控制器承受住了卫星发射过程中的振动、冲击、噪声和热环境等动力学载荷。目前，驱动控制器在轨运行良好，高质量地完成了高轨微波载荷的驱动功能。经过实际应用证明，该发明具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明优选实施例提供的电路的组成框图；
图2为本发明优选实施例提供的绕组驱动模块的电路原理图；
图3为本发明优选实施例提供的双冗余译码输出驱动电路原理图；
图4为本发明优选实施例提供的绕组切换继电器电路原理图；
图5为本发明优选实施例的24秒每转时电机绕组的电流波形；
图6为本发明优选实施例的单板栈接安装示意图。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
如图1所示，本实施例提供的一种星载步进电机驱动电路的热备份控制电路，包括：FPGA模块、双冗余译码输出驱动电路、第一H桥驱动电路、第二H桥驱动电路及绕组检测模块。
其中，FPGA模块用于通过有限的数字化电压量模拟正弦波电流作为电流给定信号，并将所述电流给定信号与电机绕组的电流采样信号进行比较，得到控制功率器件通断时间的PWM信号；
第一H桥驱动电路、第二H桥驱动电路用于在所述PWM信号的控制下切换磁保持继电器的开关状态以分别驱动步进电机的主绕组和备份绕组；
绕组检测模块用于获取所述主绕组和备份绕组的电流采样信号；
所述双冗余译码输出驱动电路用于对所述FPGA模块输出的绕组切换信号进行译码输出以控制与步进电机相连的磁保持继电器的通、断，从而进行绕组的热备份。
这种方式区别于星载步进电机驱动电路A、B机冷备份的方法，热备份控制方法具有切换响应快、电机主份、备份绕组中电流同步，实现瞬时衔接，对控制对象运动影响小。且使用的器件数量少，电路原理简单。选择具有多路通道的器件，信号一致性好。
再次参考图1，本实施例中的FPGA模块包括FPGA电路、DAC8412电路、第一电压比较器、第二电压比较器、第一触发器及第二触发器，
这里的FPGA电路进行电流细分控制，以获取主绕组设定电流及备绕组设定电流；
而主绕组设定电流及备绕组设定电流分别输入DAC8412电路进行回读处理得到主绕组电流给定信号及备绕组电流给定信号；
第一电压比较器将主绕组电流给定信号与主绕组的电流采样信号进行比较，如果电流给定信号比实测电流信号大，经由第一触发器控制第一H桥驱动电路的上桥臂导通，增加绕组中电流，控制上桥臂截止并使下桥臂导通，从而减小主绕组中的电流；
第二电压比较器将备绕组电流给定信号与备绕组的电流采样信号进行比较，如果电流给定信号比实测电流信号大，经由第二触发器控制第二H桥驱动电路的上桥臂导通，增加绕组中电流，控制上桥臂截止并使下桥臂导通，从而减小备绕组中的电流。
电压比较器与触发器构成恒流斩波电路。其中，上述的电压比较器在完成电压比较后，比较的结果就是控制功率器件的通断时间的PWM信号。然后由触发器将PWM信号与一个固定频率的载波信号调制来调节信号的占空比。如果电流给定信号比实测电流信号大，经由触发器控制功率器件H桥的上桥臂导通，增加绕组中电流；反之，就控制上桥臂截止并使下桥臂导通，从而减小绕组中电流。这样就实现了电流的闭环控制，使电机绕组电流围绕着给定的正弦波电流信号作锯齿形波动，得到近似幅值恒定、角度均匀的合成电流矢量，保持电机输出恒定转矩。也即由恒流斩波电路完成电压比较和电流调整。
FPGA模块采集2个电机绕组的电流采样信号，并采集AD2S80A的角度数据、霍尔信号，以计算电机绕组的旋转周期并进行位置判断和速度控制，以及根据电流采样信号判断电机绕组工作状态以生成所述绕组切换信号。
还包括监测电路(也即状态监控AD电路)，用于实时测量电机电流、电机温度、驱动电压、H桥组件表面温度，对监测结果进行判断和故障处理，同时将统计的遥测数据按系统规定的数据格式通过通讯接口报告指令单元。
再次参考图1，该电路通过设置固态继电器绕组切换电路、电流给定DA电路(即上述的DAC8412电路)、恒流斩波电路、状态监控AD电路。采用固态继电器切换绕组，响应快，同步性好，可靠性高。
地测设备发送的内部指令含有工作模式和速度信息，FPGA改变脉冲频率可实现起停、正反转、调转定位和匀速扫描。定位控制需要实时采集旋变的角度数据作为位置反馈，设计控制律实现步进电机高精度、无超调的闭环定位控制，无超调的实质是当误差到零时，速度也应到零。软件指令控制继电器切换主份、备份绕组分别工作，实现功能备份；也可以同时接通两套绕组，提高电机输出力矩。驱动控制器在每个旋转周期采集遥测数据：旋转周期、绕组电流、电机温度、驱动电压等，用来判读驱动控制器工作状态和天线的位置。
第一H桥驱动电路、第二H桥驱动电路分别包括一片LMD18200芯片及其外围电路，所述LMD18200芯片分别用于驱动一台2相步进电机。参考图2所示，采用驱动模块LMD18200充分考虑了电源的可靠性设计和上电初始状态的确定性，这些设计是星载电子设备的基本要求。并通过使用FPGA作为控制器，由FPGA产生同源的PWM脉冲信号和换向信号控制两片LMD18200，能够保证步进电机两套绕组的激磁电流同步变化。
本实施例中的一片LMD18200芯片内含双H桥，可驱动一台2相步进电机。LMD18200芯片及外围电路构成继电器绕组切换电路。由于星载驱动机构采用双绕组电机，所以驱动机构需要2片LMD18200分别驱动步进电机的主绕组和备份绕组。FPGA采集两相绕组电流信号、AD2S80A的角度数据、霍尔信号，计算旋转周期，进行位置判断和速度控制。外部设备通过串口把转速模式或定点角度位置发送到FPGA，FPGA芯片生成电机控制信号，通过恒流斩波电路产生PWM信号控制驱动电路开通和关断。
图3为双冗余译码输出驱动电路原理图，图4为绕组切换继电器电路原理图，图3、图4组成了步进电机主、备绕组切换的电路原理图，由FPGA控制磁保持继电器可实现绕组的热备份。主份绕组的H桥电路输出端串接磁保持继电器K1、K2的常闭触点，如图2所示。备份绕组的H桥电路输出端串接磁保持继电器K3、K4的常开触点。FPGA产生绕组切换信号，经双冗余译码输出驱动电路控制继电器线圈的通、断电，继电器电路如图3所示。
设备加电后，默认主份绕组工作。FPGA输出“开A关B”脉冲信号，控制磁保持继电器K1、K2、K3、K4，使主份绕组与驱动电路的H桥电路导通，同时使备份绕组与驱动电路的H桥电路断开。如果步进电机的主绕组或其驱动电路发生故障，可以由地测设备发送软件指令，FPGA输出“开B关A”脉冲信号，将继电器K1、K2的常闭触点断开，同时接通继电器K3、K4的常开触点，这时候备份绕组工作并且将主绕组和其驱动电路断开。
当单绕组的工作力矩小于阻力矩时，可以由地测设备发送软件指令，控制FPGA输出“开AB”脉冲信号，将主份、备份绕组都与H桥电路接通，两套绕组同时通电可以提高工作力矩。这要求主份、备份绕组所加激磁电流必须具有良好的同步性。本文由FPGA产生同源的PWM脉冲信号和换向信号控制两片LMD18200，能够保证步进电机两套绕组的激磁电流同步变化。
因此，本发明的电路设置方便采取两种技术途径解决运载火箭飞行过程中的振动引起的驱动机构本身的磨损和空间环境对驱动机构材料物理、化学特性的影响，使得驱动机构的阻力力矩(包括摩擦力矩)增加或分布不均匀。一种方法是通过对电机主份、备份绕组同时通电来提升电机输出力矩，采用了磁保持继电器可以实现主份、备份绕组切换或同时接入。另一种途径是控制增大当前工作绕组励磁电流的幅度。这两种方式均可由地测设备发送软件指令来控制。
图5是本发明星载步进电机驱动电路在24秒每转时测试得到的电机绕组的电流波形。通过软件指令控制电机启动，控制电机旋转速度和电流值，使用钳形电流表测量步进电机两相绕组中的电流，用示波器观测。在额定电流Im＝500mA时，24s转速下绕组中的电流波形。从图5中可以看到电流为近似的正弦波，幅值和频率都达到控制要求。
参考图6所示，该热备份控制电路设于驱动控制电路板上，其所需的驱动电源和控制电源由电源板产生，所述驱动控制电路板及电源板以栈接方式安装。
本发明采用栈接式安装结构，通过电气与结构的合理结合，减少了连接电缆，提高了系统的可靠性；对外连接采用差分信号输入输出，抗干扰能力强，适应复杂的电磁环境；一种绕组热备份、主/备绕组可切换也可同时投入、在线调节电机绕组激磁电流的控制方法，可充分适应负载不可预知的变化。
本发明采用集成度高的可编程器件，减少分立元件和外围电路，尽可能多的采用数字器件或数字控制的器件，减少模拟器件的使用，提高了系统的可靠性。本发明电路简单、体积小、可靠性高，用于驱动星载的微波遥感天线或光学天线有着较好的适应性和通用性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种星载步进电机驱动电路的热备份控制电路，其特征在于，包括：FPGA模块、双冗余译码输出驱动电路、第一H桥驱动电路、第二H桥驱动电路及绕组检测模块；
所述FPGA模块用于通过有限的数字化电压量模拟正弦波电流作为电流给定信号，并将所述电流给定信号与电机绕组的电流采样信号进行比较，得到控制功率器件通断时间的PWM信号；
第一H桥驱动电路、第二H桥驱动电路用于在所述PWM信号的控制下切换磁保持继电器的开关状态以分别驱动步进电机的主绕组和备份绕组；
绕组检测模块用于获取所述主绕组和备份绕组的电流采样信号；
所述双冗余译码输出驱动电路用于对所述FPGA模块输出的绕组切换信号进行译码输出以控制与步进电机相连的磁保持继电器的通、断，从而进行绕组的热备份。
2.根据权利要求1所述的星载步进电机驱动电路的热备份控制电路，其特征在于，所述FPGA模块包括FPGA电路、DAC8412电路、第一电压比较器、第二电压比较器、第一触发器及第二触发器，
所述FPGA电路进行电流细分控制，以获取主绕组设定电流及备绕组设定电流；所述主绕组设定电流及备绕组设定电流分别输入所述DAC8412电路进行回读处理得到主绕组电流给定信号及备绕组电流给定信号；
第一电压比较器将主绕组电流给定信号与主绕组的电流采样信号进行比较，如果电流给定信号比实测电流信号大，经由第一触发器控制第一H桥驱动电路的上桥臂导通，增加绕组中电流，控制上桥臂截止并使下桥臂导通，从而减小主绕组中的电流；
第二电压比较器将备绕组电流给定信号与备绕组的电流采样信号进行比较，如果电流给定信号比实测电流信号大，经由第二触发器控制第二H桥驱动电路的上桥臂导通，增加绕组中电流，控制上桥臂截止并使下桥臂导通，从而减小备绕组中的电流。
3.根据权利要求1或2所述的星载步进电机驱动电路的热备份控制电路，其特征在于，所述FPGA模块采集2个电机绕组的电流采样信号，并采集AD2S80A的角度数据、霍尔信号，以计算电机绕组的旋转周期并进行位置判断和速度控制，以及根据电流采样信号判断电机绕组工作状态以生成所述绕组切换信号。
4.根据权利要求1所述的星载步进电机驱动电路的热备份控制电路，其特征在于，还包括监测电路，用于实时测量电机电流、电机温度、驱动电压、H桥组件表面温度，对监测结果进行判断和故障处理，同时将统计的遥测数据按系统规定的数据格式通过通讯接口报告指令单元。
5.根据权利要求1所述的星载步进电机驱动电路的热备份控制电路，其特征在于，所述第一H桥驱动电路、第二H桥驱动电路分别包括一片LMD18200芯片及其外围电路，所述LMD18200芯片分别用于驱动一台2相步进电机。
6.根据权利要求1所述的星载步进电机驱动电路的热备份控制电路，其特征在于，该热备份控制电路设于驱动控制电路板上，其所需的驱动电源和控制电源由电源板产生，所述驱动控制电路板及电源板以栈接方式安装。
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| 伍志刚: "星载SAR监控计算机的可靠性设计与纠错编码研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（工程科技Ⅱ辑）》 * |
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