CN116938052A - 一种星载太阳翼的驱动控制系统、方法及电子设备和介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种星载太阳翼的驱动控制系统、方法及电子设备和介质。该系统及方法以两相四线步进电机作为太阳翼驱动源，基于DSP芯片TMS320F28335和DRV8885PWP步进电机驱动芯片设计。通过RS422串口通信向系统发出控制指令，包括扫描运动控制、停止运动控制，结合霍尔零位信号进行电机输出轴位置识别。给出总体方案设计，设计了包括最小系统、驱动电路、电源转换电路、霍尔零位识别电路、RS422通信电路硬件电路，给出了控制系统主程序等软件设计。本发明所述系统及方法能够实现星载太阳翼的稳定驱动控制，试验结果证明了设计技术方案的有效性。目前太阳翼驱动控制方案已成功应用于吉林一号星座各型号卫星。
Description
技术领域
本发明属于自动控制技术应用领域，特别是涉及一种星载太阳翼的驱动控制系统、方法及电子设备和介质。
背景技术
太阳翼SADA，即太阳能帆板，主要应用于卫星和宇宙飞船的供能。卫星发射时太阳翼处于折叠状态，星箭分离后打开并在卫星飞行过程中不断调整方向，使太阳能帆板不断的对准太阳，从而为整星工作提供能量。由于担负着为卫星提供能源的重要任务，太阳翼在卫星发射后是否能够正常工作影响着卫星发射的成败。其中驱动控制系统作为太阳翼机构系统的关键技术，对机构的稳定、高精度运行起着关键性的作用。现有针对星载太阳翼的研究集中在驱动结构故障分析、展开结构可靠性评估、太阳翼姿态调整后残余振动衰减等，缺乏完成的驱动控制系统相关设计。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种星载太阳翼的驱动控制系统、方法及电子设备和介质。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种适用于星载太阳翼的驱动控制系统，所述系统包括TMS320F28335控制模块、步进电机驱动模块、电源模块、RS422通信模块以及霍尔传感器零位信号采集模块；
所述RS422通信模块由中心机向系统发出启动、停止和运动控制指令，改变步进电机的运行模式和运动方向；TMS320F28335控制模块用于识别控制指令并进行信息处理，根据控制指令输出脉冲信号和控制信号，脉冲信号驱动步进电机转动，控制信号改变步进电机转动方向；电源模块用于对整个系统的供电；步进电机驱动模块用于接收控制信号和脉冲信号，驱动电机转动；霍尔传感器零位信号采集模块用于步进电机转子位置识别。
进一步地，所述TMS320F28335控制模块包括晶振电路、下载电路及复位电路；所述晶振电路采用25M石英晶振作为主控芯片高速外部时钟源；下载电路具有14针JTAG接口，使用DSP的JTAG模式进行程序下载和在线调试；复位电路采用RC复位电路。
进一步地，所述步进电机驱动模块采用TI专用步进电机驱动芯片DRV8885PWP；DRV8885PWP驱动芯片在24V下最大驱动电流为1.5A，通过REF引脚及TRQ引脚设置最大输出电流；从REF引脚到GND之间放置电阻R17来设置参考输出电流，TRQ引脚可进一步缩放输出电流；所述电阻R17设置为37.5K，可实现相电流最大峰值为0.85A，有效值0.6A的步进电机驱动。
进一步地，所述DRV8885PWP驱动芯片的M1和M0引脚与DSP连接完成步进电机细分数的设置；步进电机齿数为50齿，通过配置M1和M0引脚，最大可实现16细分，最小步进角为360°/50/4/16=0.1125°的设置；
STEP、DIR引脚为芯片的控制引脚，与DSP连接，通过控制DIR的逻辑电平以设置步进电机步进方向；STEP为步进脉冲输入，芯片通过检测STEP引脚上升沿电机前进一步；驱动芯片最大可接收步进频率500KHz，所述步进电机输出速度为30°/s，16细分，所述STEP引脚脉冲频率为267Hz，以满足使用要求；
nSLEEP引脚与DSP连接，通过控制nSLEEP引脚逻辑，使得芯片处于低功耗休眠模式；
驱动芯片内置过流、短路以及过热保护；故障状态通过nFAULT引脚指示，nFAULT为OD门输出，通过4.7K上拉到3.3V连接到DSP控制引脚；
AOU1、AOUT2、BOUT1、BOUT2引脚为驱动芯片与步进电机接口引脚，与步进电机A相B相4线连接。
进一步地，所述霍尔传感器零位信号采集模块检测电机输出轴相对零位，根据霍尔效应原理，霍尔传感器输出霍尔电压，输出为OC信号，常态为高电平，触发时为低电平；霍尔信号经5.1K电阻上拉至3.3V，经施密特触发器整形后连接DSP中断模块进行电机输出轴位置识别。
进一步地，所述RS422通信模块采用MAX3490ESA芯片，芯片中D1二极管为防潜通二极管，RS422通信模块为系统响应中心机指令，实现太阳翼的运动停止功能。
本发明提出一种根据所述的适用于星载太阳翼的驱动控制系统的控制方法，所述控制方法具体为：太阳翼控制器通过驱动步进电机，与霍尔传感器配合实现太阳翼的扫描运动；系统上电后，主程序首先完成内部时钟系统、外设模块、GPIO和定时器初始化配置，进入到待机模式等待中心机指令，然后根据接收到的中心机指令切换其工作模式，其中，通过扫描指令，进入到扫描模式，通过停止指令，返回到待机模式；接着进行喂狗，如此循环下去。
进一步地，在主程序中引入窗口看门狗程序，在程序运行过程中，不停地在窗口时间内进入喂狗中断服务程序，如果程序跑飞不能及时喂狗，芯片则会发生软复位，系统重启。
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种根据所述的适用于星载太阳翼的驱动控制系统的控制方法的步骤。
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种根据所述的适用于星载太阳翼的驱动控制系统的控制方法的步骤。
本发明的有益效果：
本发明提出一种星载太阳翼的驱动控制系统、方法及电子设备和介质。该系统及方法以两相四线步进电机作为太阳翼驱动源，基于DSP芯片TMS320F28335和DRV8885PWP步进电机驱动芯片设计。通过RS422串口通信向系统发出控制指令，包括扫描运动控制、停止运动控制，结合霍尔零位信号进行电机输出轴位置识别。给出总体方案设计，设计了包括最小系统、驱动电路、电源转换电路、霍尔零位识别电路、RS422通信电路硬件电路，给出了控制系统主程序等软件设计。本发明所述系统及方法能够实现星载太阳翼的稳定驱动控制，试验结果证明了设计技术方案的有效性。目前太阳翼驱动控制方案已成功应用于吉林一号星座各型号卫星。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的适用于星载太阳翼的驱动控制系统框图。
图2为最小系统电路示意图。其中，(a)晶振电路，(b)复位电路，(c)下载电路。
图3为步进电机驱动电路示意图。
图4为霍尔零位信号采集电路示意图。
图5为RS422通信电路示意图。
图6为电源转换电路示意图，其中，(a)28V转5V电路，(b)5V转5V电路，(c)5V转3.3V电路，(d)5V转1.9V电路。
图7为主程序设计流程图。
图8为输出轴位置速度曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1-图8，本发明提出一种适用于星载太阳翼的驱动控制系统，所述系统包括TMS320F28335控制模块、步进电机驱动模块、电源模块、RS422通信模块以及霍尔传感器零位信号采集模块；如图1所示。
所述RS422通信模块由中心机向系统发出启动、停止和运动等控制指令，改变步进电机的运行模式和运动方向等；TMS320F28335控制模块用于识别控制指令并进行信息处理，根据控制指令输出一定频率的脉冲信号和控制信号，脉冲信号驱动步进电机转动，控制信号改变步进电机转动方向等；电源模块用于对整个系统的供电；步进电机驱动模块用于接收控制信号和脉冲信号，驱动电机转动；霍尔传感器零位信号采集模块用于步进电机转子位置识别。
DSP最小系统需要处理来自中心机的RS422控制指令并产生控制信号，因此要求系统具有SCI等串口通信外设和产生脉冲输出功能，TMS320F28335系列DSP有丰富的外设接口，性价比高。所述TMS320F28335控制模块设计的最小系统包括晶振电路、下载电路及复位电路；最小系统电路如图2所示。所述晶振电路采用25M石英晶振作为主控芯片高速外部时钟源；下载电路具有14针JTAG接口，使用DSP的JTAG模式进行程序下载和在线调试；复位电路采用RC复位电路。
所述步进电机驱动模块采用TI专用步进电机驱动芯片DRV8885PWP；该芯片内部集成了过流、短路及过热保护电路，具有电流检测功能。需要设计相应的外围电路保证芯片正常工作。驱动电路如图3所示。DRV8885PWP驱动芯片在24V下最大驱动电流为1.5A，通过REF引脚及TRQ引脚设置最大输出电流；从REF引脚到GND之间放置电阻R17来设置参考输出电流，TRQ引脚可进一步缩放输出电流；计算公式如下：
其中，为输出电流，/>为常数，取值30，/>表示电阻，/>表示电流标量，公式中括号内字符代表单位。
TRQ引脚参考输出电流如表1所示：
表1TRQ设置
所述电阻R17设置为37.5K，可实现相电流最大峰值为0.85A，有效值0.6A的步进电机驱动。
所述DRV8885PWP驱动芯片的M1和M0引脚与DSP连接完成步进电机细分数的设置；步进电机齿数为50齿，通过配置M1和M0引脚，最大可实现16细分，最小步进角为360°/50/4/16=0.1125°的设置；设置方式如表2所示：
表2细分数设置
STEP、DIR引脚为芯片的控制引脚，与DSP连接，通过控制DIR的逻辑电平以设置步进电机步进方向；STEP为步进脉冲输入，芯片通过检测STEP引脚上升沿电机前进一步；驱动芯片最大可接收步进频率500KHz，所述步进电机输出速度为30°/s，16细分，根据如下公式，要求STEP引脚脉冲频率为267Hz，远小于500KHz，满足使用要求。
其中，表示STEP引脚脉冲频率，括号中内容代表单位。
nSLEEP引脚与DSP连接，通过控制nSLEEP引脚逻辑，使得芯片处于低功耗休眠模式，从而实现超低静态电流待机；
驱动芯片内置过流、短路以及过热保护；故障状态通过nFAULT引脚指示，nFAULT为OD门输出，通过4.7K上拉到3.3V连接到DSP控制引脚；
AOU1、AOUT2、BOUT1、BOUT2引脚为驱动芯片与步进电机接口引脚，与步进电机A相B相4线连接。
所述霍尔传感器零位信号采集模块检测电机输出轴相对零位，根据霍尔效应原理，霍尔传感器输出霍尔电压，输出为OC信号，常态为高电平，触发时为低电平；霍尔传感器零位信号采集电路如图4所示，霍尔信号经5.1K电阻上拉至3.3V，经施密特触发器整形后连接DSP中断模块进行电机输出轴位置识别。
所述RS422通信模块采用MAX3490ESA芯片，芯片中D1二极管为防潜通二极管，RS422通信模块为系统响应中心机指令，实现太阳翼的运动停止功能。RS422通信电路如图5所示。
所述电源电路包括4种电源转换电路，系统电源电路需要满足控制电路和驱动电路两部分需求。步进电机输出轴使用母线28V和功率地28V_GND驱动。除此之外，控制系统内部还用到+5V，+3.3V以及+1.9V电源。其中+28V通过TPS5410EP转换为+5V，输出1A，使用R69和R70搭建分压电路为VENS引脚提供反馈电压，R69和R70电阻取值为10K和3.24K，设置输出电平为5V。VDD_5V由+5V通过隔离DCDC芯片DCP020505转换得到，主要用于霍尔元件供电以及信号电路供电。+3.3V以及+1.9V由VDD_5V通过LDO转换芯片TPS73601转换得到，输出能力400mA，使用R60和R63搭建分压电路为FB1引脚提供反馈电压，取值分别为52.3K和30.1K，设置输出电平+3.3V；使用R58和R65搭建分压电路为FB2提供反馈电压，取值分别为29.4K和51.1K，设置输出电平+1.9V。电源转换电路如图6所示。
本发明提出一种根据所述的适用于星载太阳翼的驱动控制系统的控制方法，所述控制方法具体为：太阳翼控制器通过驱动步进电机，与霍尔传感器配合实现太阳翼的扫描运动；系统上电后，主程序首先完成内部时钟系统、外设模块、GPIO和定时器初始化配置，进入到待机模式等待中心机指令，然后根据接收到的中心机指令切换其工作模式，其中，通过扫描指令，进入到扫描模式，通过停止指令，返回到待机模式；接着进行喂狗，如此循环下去。系统软件主程序流程图如图7所示。
在主程序中引入窗口看门狗程序，在程序运行过程中，不停地在窗口时间内进入喂狗中断服务程序，如果程序跑飞不能及时喂狗，芯片则会发生软复位，系统重启。
太阳翼驱动控制系统搭建试验平台。两相四线步进电机放置在试验平台上，步进电机A相B相四线与驱动控制电路相连。通过上位机向步进电机驱动控制电路发送指令以改变电机的运动状态。
利用RS422接口与驱动控制电路通信，通过上位机向步进电机驱动控制电路发送扫描指令使步进电机在输出轴0°左右10000°范围内以30°/s的速度做扫描运动，加减速时间为3s，存储步进电机转速位置数据后用MATLAB进行数据处理，如图8所示，分别为扫描运动过程中步进电机速度曲线，扫描运动过程中步进电机位置曲线以及速度曲线中加减速过程局部示意图。通过对上述试验结果的分析，太阳翼步进电机实现了在电机输出轴0°左右10000°范围加减速时间为3s且运动速度为30°/s的扫描运动。验证了本发明太阳翼步进电机驱动控制技术的有效性及稳定性。
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种根据所述的适用于星载太阳翼的驱动控制系统的控制方法的步骤。
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种根据所述的适用于星载太阳翼的驱动控制系统的控制方法的步骤。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（read only memory，ROM）、可编程只读存储器（programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（erasablePROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（electrically EPROM，EEPROM）或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器（random access memory，RAM），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM 可用，例如静态随机存取存储器（static RAM，SRAM）、动态随机存取存储器（dynamic RAM，DRAM）、同步动态随机存取存储器（synchronousDRAM，SDRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（double data rate SDRAM，DDRSDRAM）、增强型同步动态随机存取存储器（enhanced SDRAM，ESDRAM）、同步连接动态随机存取存储器（synchlink DRAM，SLDRAM）和直接内存总线随机存取存储器（direct rambusRAM，DR RAM）。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（digital subscriber line，DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如，高密度数字视频光盘（digital video disc，DVD））、或者半导体介质（例如，固态硬盘（solid state disc，SSD））等。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软 件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
以上对本发明所提出的一种星载太阳翼的驱动控制系统、方法及电子设备和介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种适用于星载太阳翼的驱动控制系统，其特征在于，所述系统包括TMS320F28335控制模块、步进电机驱动模块、电源模块、RS422通信模块以及霍尔传感器零位信号采集模块；
所述RS422通信模块由中心机向系统发出启动、停止和运动控制指令，改变步进电机的运行模式和运动方向；TMS320F28335控制模块用于识别控制指令并进行信息处理，根据控制指令输出脉冲信号和控制信号，脉冲信号驱动步进电机转动，控制信号改变步进电机转动方向；电源模块用于对整个系统的供电；步进电机驱动模块用于接收控制信号和脉冲信号，驱动电机转动；霍尔传感器零位信号采集模块用于步进电机转子位置识别。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述TMS320F28335控制模块包括晶振电路、下载电路及复位电路；所述晶振电路采用25M石英晶振作为主控芯片高速外部时钟源；下载电路具有14针JTAG接口，使用DSP的JTAG模式进行程序下载和在线调试；复位电路采用RC复位电路。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述步进电机驱动模块采用TI专用步进电机驱动芯片DRV8885PWP；DRV8885PWP驱动芯片在24V下最大驱动电流为1.5A，通过REF引脚及TRQ引脚设置最大输出电流；从REF引脚到GND之间放置电阻R17来设置参考输出电流，TRQ引脚可进一步缩放输出电流；所述电阻R17设置为37.5K，可实现相电流最大峰值为0.85A，有效值0.6A的步进电机驱动。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述DRV8885PWP驱动芯片的M1和M0引脚与DSP连接完成步进电机细分数的设置；步进电机齿数为50齿，通过配置M1和M0引脚，最大可实现16细分，最小步进角为360°/50/4/16=0.1125°的设置；
STEP、DIR引脚为芯片的控制引脚，与DSP连接，通过控制DIR的逻辑电平以设置步进电机步进方向；STEP为步进脉冲输入，芯片通过检测STEP引脚上升沿电机前进一步；驱动芯片最大可接收步进频率500KHz，所述步进电机输出速度为30°/s，16细分，所述STEP引脚脉冲频率为267Hz，以满足使用要求；
nSLEEP引脚与DSP连接，通过控制nSLEEP引脚逻辑，使得芯片处于低功耗休眠模式；
驱动芯片内置过流、短路以及过热保护；故障状态通过nFAULT引脚指示，nFAULT为OD门输出，通过4.7K上拉到3.3V连接到DSP控制引脚；
AOU1、AOUT2、BOUT1、BOUT2引脚为驱动芯片与步进电机接口引脚，与步进电机A相B相4线连接。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述霍尔传感器零位信号采集模块检测电机输出轴相对零位，根据霍尔效应原理，霍尔传感器输出霍尔电压，输出为OC信号，常态为高电平，触发时为低电平；霍尔信号经5.1K电阻上拉至3.3V，经施密特触发器整形后连接DSP中断模块进行电机输出轴位置识别。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述RS422通信模块采用MAX3490ESA芯片，芯片中D1二极管为防潜通二极管，RS422通信模块为系统响应中心机指令，实现太阳翼的运动停止功能。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的适用于星载太阳翼的驱动控制系统的控制方法，其特征在于，所述方法具体为：太阳翼控制器通过驱动步进电机，与霍尔传感器配合实现太阳翼的扫描运动；系统上电后，主程序首先完成内部时钟系统、外设模块、GPIO和定时器初始化配置，进入到待机模式等待中心机指令，然后根据接收到的中心机指令切换其工作模式，其中，通过扫描指令，进入到扫描模式，通过停止指令，返回到待机模式；接着进行喂狗，如此循环下去。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在主程序中引入窗口看门狗程序，在程序运行过程中，不停地在窗口时间内进入喂狗中断服务程序，如果程序跑飞不能及时喂狗，芯片则会发生软复位，系统重启。
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求7-8任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求7-8任一项所述方法的步骤。
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