林方，王煜，付毅賓，陸釩，常振,，邱曉晗,

1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230031 2.中國(guó)科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，合肥 230031

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基于FPGA的星載步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

林方1，王煜2,*，付毅賓2，陸釩2，常振1,2，邱曉晗1,2

1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230031 2.中國(guó)科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，合肥 230031

針對(duì)航天設(shè)備在軌運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、不易更換的特點(diǎn)，提出了一種力矩寬且范圍可調(diào)的步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)。該電路原理樣機(jī)以Xilinx公司的XC3S400pq-208型FPGA為核心控制芯片，以LMD18200為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。在對(duì)電路總體設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了航天過程中步進(jìn)電機(jī)阻力矩增加的問題，以及通過脈沖頻率和PWM控制技術(shù)調(diào)節(jié)輸出力矩的方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，力矩可調(diào)范圍的最大值能夠使力矩裕度達(dá)到4，匹配步進(jìn)電機(jī)在軌運(yùn)行過程中的力矩要求。

航天設(shè)備；力矩可調(diào)；步進(jìn)電機(jī)控制電路；FPGA；PWM控制技術(shù)

步進(jìn)電機(jī)是航天設(shè)備上的常用部件，適用于轉(zhuǎn)速要求不高、轉(zhuǎn)距要求不大、間歇性轉(zhuǎn)動(dòng)的場(chǎng)合，如位置調(diào)整機(jī)構(gòu)。在位置調(diào)整時(shí)，因其具有可施加靜止力矩的特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)動(dòng)到位后，無需附加的鎖緊機(jī)構(gòu)，即可保持固有位置。

步進(jìn)電機(jī)的基本理論和常用控制方法，如脈沖寬度調(diào)制控制方法、加減速控制方法和細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制方法，在21世紀(jì)初就已成熟[1]。近年來，基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)也取得了巨大進(jìn)步[2]。本設(shè)計(jì)嘗試將FPGA用于星載步進(jìn)電機(jī)的控制上，并基于步進(jìn)電機(jī)的基本控制理論，完成滿足航天要求的特殊設(shè)計(jì)。

步進(jìn)電機(jī)在軌運(yùn)行的初期，阻力矩較小，小輸出力矩就能夠維持其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而步進(jìn)電機(jī)在軌運(yùn)行的中后期，由于電磁效率的降低和固體潤(rùn)滑劑磨損等因素，維持步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的輸出力矩會(huì)不斷增大。但如果在電機(jī)入軌初期就將輸出力矩固定在一個(gè)能夠滿足步進(jìn)電機(jī)后期正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最大值上是不合理的(原因在第3.4節(jié)中詳述)。故本文提出了一種輸出力矩寬范圍可調(diào)設(shè)計(jì)，使步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩能夠在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，目的是能夠匹配步進(jìn)電機(jī)在軌運(yùn)行各個(gè)時(shí)期的輸出力矩要求。

除力矩寬范圍可調(diào)設(shè)計(jì)外，為了能夠使步進(jìn)電機(jī)對(duì)光路可能出現(xiàn)的偏移進(jìn)行在軌調(diào)節(jié)，加入了半步停止的設(shè)計(jì)。最后，文中也將簡(jiǎn)單闡述如何防止空間輻射帶來的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)[3]。

1 工程背景概述

星載差分吸收光譜儀[4](Different Optical Absorption Spectroscopy, DOAS)通過測(cè)量天底散射光探測(cè)大氣成分，是環(huán)境檢測(cè)和大氣物理研究中的有效手段。差分吸收光譜儀內(nèi)部利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，以切換光路。本文論述了光譜儀中步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)。

星載差分吸收光譜儀內(nèi)部光路[5]如圖1所示。其中，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)光路切換轉(zhuǎn)動(dòng)部件和漫反射體轉(zhuǎn)動(dòng)部件。兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件分別有2個(gè)和3個(gè)位置，組合形成3種不同的光路，分別為太陽光定標(biāo)光路、地球測(cè)量主光路和標(biāo)準(zhǔn)燈測(cè)量光路。

光路切換轉(zhuǎn)動(dòng)部件和漫反射體轉(zhuǎn)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)相似。光路切換轉(zhuǎn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，步進(jìn)電機(jī)軸連接轉(zhuǎn)盤，用于光路切換的反射鏡固定于轉(zhuǎn)盤上，跟隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。磁鋼置于轉(zhuǎn)盤側(cè)面，當(dāng)磁鋼靠近霍爾接近開關(guān)時(shí)，霍爾接近開關(guān)產(chǎn)生霍爾信號(hào)并傳遞到步進(jìn)電機(jī)控制電路，控制電路根據(jù)接收到的霍爾信號(hào)確定“零位”，再根據(jù)所需到達(dá)的位置繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的步數(shù)。步進(jìn)電機(jī)單向轉(zhuǎn)動(dòng)，每次切換位置時(shí)首先校準(zhǔn)“零位”，以消除失步造成的誤差。

2 整體方案

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。星載CPU通過滿足RS-422電平規(guī)范的差分串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)向控制電路發(fā)送命令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并接收控制電路回傳的電機(jī)狀態(tài)信息。

控制電路以FPGA作為邏輯控制元件，完成SPI接口的通信功能，產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序，采集電機(jī)狀態(tài)信息。FPGA作為邏輯元件使得整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，拓展方便，響應(yīng)速度快，并且易于產(chǎn)生調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的PWM波。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(National Semiconductor)生產(chǎn)的LMD18200芯片[6]。芯片為H橋結(jié)構(gòu)，兼容TTL和CMOS輸入，可提供最大3A的持續(xù)電流，可通過PWM波占空比調(diào)節(jié)電機(jī)繞組內(nèi)電流。驅(qū)動(dòng)一個(gè)本設(shè)計(jì)所選用的兩相四線步進(jìn)電機(jī)需要兩塊LMD18200芯片。

試驗(yàn)用電機(jī)采用兩相四線100齒結(jié)構(gòu)、步距角為0.9°的混合式步進(jìn)電機(jī)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁材料，定子為線圈加軟磁體結(jié)構(gòu)，電機(jī)一周均勻分布N、S極，通過控制線圈電流，使轉(zhuǎn)子相對(duì)定子旋轉(zhuǎn)，每個(gè)電流切換周期步進(jìn)一個(gè)齒距?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)結(jié)合了反應(yīng)式與永磁式的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化等性能要求較高的場(chǎng)合[7]。

3 設(shè)計(jì)實(shí)施

3.1 通信指令設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，星載CPU與FPGA通過SPI總線[8-9]進(jìn)行通信，通信中使用到兩種指令，兩種指令同為96位，分別為圖4(a)所示的轉(zhuǎn)動(dòng)指令和圖4(b)所示的查詢指令。

其中，轉(zhuǎn)動(dòng)指令控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置，查詢指令查詢步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)信息。

轉(zhuǎn)動(dòng)指令中，“指定位置”表示星載CPU要求電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到的位置；“轉(zhuǎn)動(dòng)電流”和“轉(zhuǎn)動(dòng)速度”分別調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行時(shí)繞組內(nèi)電流和脈沖頻率；“整步停止電流”和“半步停止電流”調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)停止時(shí)繞組內(nèi)電流；“主備切換”負(fù)責(zé)主板和備用板的切換；“校驗(yàn)字節(jié)”由主機(jī)向從機(jī)發(fā)送，為前10字節(jié)的亦或值；“應(yīng)答字節(jié)”由從機(jī)向主機(jī)發(fā)送，表示從機(jī)是否正確接收了指令。

查詢指令中，“電機(jī)狀態(tài)反饋”表示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或停止；“電機(jī)位置反饋”表示電機(jī)當(dāng)前所處的位置；“繞組電流反饋”表示當(dāng)前繞組內(nèi)的電流大小。“芯片過熱標(biāo)識(shí)”和“無法停止標(biāo)識(shí)”分別表示電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片過熱和電機(jī)無法停止，是步進(jìn)電機(jī)控制電路的自動(dòng)應(yīng)急措施[10-11]。芯片過熱標(biāo)識(shí)通常在電機(jī)堵轉(zhuǎn)、電流過大時(shí)將第0位置1；無法停止標(biāo)識(shí)通常在電機(jī)堵轉(zhuǎn)或霍爾接近開關(guān)失效時(shí)將第0位置1。

3.2 FPGA結(jié)構(gòu)

FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中Communication模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)SPI通信功能，Control模塊負(fù)責(zé)單個(gè)電機(jī)的控制，通用性強(qiáng)，易于拓展。

FPGA設(shè)計(jì)中，不使用狀態(tài)機(jī)，僅使用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)功能。這種設(shè)計(jì)方式一定程度上避免了空間輻射造成的FPGA中單粒子翻轉(zhuǎn)的影響。

3.3 電路運(yùn)行過程

本設(shè)計(jì)在FPGA中設(shè)置了16位的“當(dāng)前位置”內(nèi)部寄存器。電路接收到星載CPU的指令后，運(yùn)行過程如圖6所示。

FPGA在接收到星載CPU指令后，首先判斷指令類型。若為“查詢指令”，則將相應(yīng)的電機(jī)狀態(tài)信息返回星載CPU；若為“轉(zhuǎn)動(dòng)指令”，首先判斷“指定位置”字節(jié)與“當(dāng)前位置”寄存器的值是否相等。若相等，表示電機(jī)正處于要求位置，無需轉(zhuǎn)動(dòng)；若不相等，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)序，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。若FPGA輸出了能夠轉(zhuǎn)動(dòng)4圈的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，但仍未接收到霍爾信號(hào)，表示電機(jī)出現(xiàn)問題，此時(shí)電機(jī)停止，將“無法停止標(biāo)識(shí)”置1，并等待地面處理；若接收到霍爾信號(hào)，表示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，在轉(zhuǎn)動(dòng)到“指定位置”時(shí)停止，等待星載CPU的下一條指令。

3.4 力矩可調(diào)設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用力矩寬范圍可調(diào)設(shè)計(jì)，本節(jié)將闡述采用該設(shè)計(jì)的原因和實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的方法。

(1)輸出力矩

步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩與脈沖頻率、繞組內(nèi)電流有關(guān)。

圖7中，曲線3電流最大，曲線1電流最小。如圖所示，相同條件下，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩與脈沖頻率成反比，與繞組內(nèi)電流成正比[12]。

特別地，圖8為步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線[13]，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)由靜止起動(dòng)時(shí)，輸出力矩需要至少達(dá)到起動(dòng)力矩。當(dāng)其他條件(繞組內(nèi)電流、負(fù)載、驅(qū)動(dòng)形式)固定時(shí)，電機(jī)能夠起動(dòng)的最大頻率稱為“最大起動(dòng)頻率”，電機(jī)能夠運(yùn)行的最大頻率稱為“最大運(yùn)行頻率”。

綜上所述，增大電機(jī)輸出力矩，需要減小脈沖頻率(減慢電機(jī)轉(zhuǎn)速)或增大繞組內(nèi)電流。而減小脈沖頻率會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的振動(dòng)增大，加劇電機(jī)磨損；增大繞組內(nèi)電流會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量增加，使得電機(jī)溫度和散熱系統(tǒng)溫度升高，加劇二者的磨損。力矩寬范圍可調(diào)設(shè)計(jì)可以在步進(jìn)電機(jī)在軌運(yùn)行的初期，采用小力矩的驅(qū)動(dòng)方式，而在后期根據(jù)需要逐漸增加力矩。

(2)時(shí)序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用兩相四線步進(jìn)電機(jī)，采用半步8拍的驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖9所示。其中，A、A′、B、B′分別表示電機(jī)的4線，A與A′控制電機(jī)的一相(繞組1)，B與B′控制電機(jī)的另一相(繞組2)。當(dāng)A為1(邏輯高電平)，A′為0(邏輯低電平)時(shí)，電流由A流向A′；當(dāng)A′為1，A為0時(shí)，電流由A′流向A；當(dāng)A與A′同為0時(shí)，繞組內(nèi)無電流。8拍的驅(qū)動(dòng)方式為：A′B′-B′-AB′-A-AB-B-A′B-A′，其中，步進(jìn)電機(jī)每拍轉(zhuǎn)動(dòng)0.45°。

設(shè)計(jì)通過控制驅(qū)動(dòng)時(shí)序每拍的時(shí)間，以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

(3)電流調(diào)節(jié)

利用LMD18200芯片，能夠通過PWM波占空比對(duì)步進(jìn)電機(jī)繞組內(nèi)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)[14]。

通常，PWM波的周期固定，占空比能夠根據(jù)需求調(diào)節(jié)。如圖10所示，T為PWM波的周期，t/T為PWM波的占空比。

繞組兩端的實(shí)際電壓如圖11所示。其中，A與A′都為邏輯低電平時(shí)，繞組兩端電壓為0，繞組中無電流；A與A′分別為PWM波和邏輯高電平時(shí)，因?yàn)镻WM波一端平均電壓較小，電流由高電平一端流向PWM波一端。

LMD18200芯片內(nèi)存在反向器，輸入芯片的PWM波占空比越大，芯片在繞組一端施加的PWM波占空比越小。隨著繞組一端占空比的減小，繞組電壓增大，繞組內(nèi)電流增大。

利用PWM波控制繞組內(nèi)電流可以有效降低步進(jìn)電機(jī)功耗。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，繞組內(nèi)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨時(shí)間變化，在繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[15]。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式如下：

(1)

式中：u為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；L為電感系數(shù)；i為電流；t為時(shí)間。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向通常與實(shí)際電壓方向相反，能有效防止電機(jī)繞組內(nèi)電流過大，降低步進(jìn)電機(jī)功耗。

圖12大圖為繞組內(nèi)電流在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的變化趨勢(shì)，小圖為波形上一點(diǎn)放大后，繞組內(nèi)電流和繞組一端PWM波的對(duì)比。如圖所示，繞組內(nèi)電流隨PWM波呈鋸齒狀變化。根據(jù)式(1)，相對(duì)于穩(wěn)定電壓的驅(qū)動(dòng)方式，PWM波的驅(qū)動(dòng)方式將產(chǎn)生更大的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，能更有效地減小電機(jī)功耗。

(4)力矩裕度

為衡量步進(jìn)電機(jī)能否在入軌中后期依然正常運(yùn)行，引入力矩裕度的概念。根據(jù)歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化組織提供的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)[16-17]，電機(jī)力矩裕度公式為：

(2)

式中：ηM為電機(jī)力矩裕度；T為電機(jī)輸出力矩大?。籘β為電機(jī)軸承摩擦力矩大??；Tα為電機(jī)啟動(dòng)慣性力矩大小。

電機(jī)在軌運(yùn)行的中后期，為了維持電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出力矩需不斷增加，電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行后的力矩裕度為：

(3)

式中：τ、β、ρ、γ、δ、ε、ξ均為導(dǎo)致力矩裕度下降的因子,τ為電壓因子，β為輸出力矩的溫度因子，ρ為磁性強(qiáng)度因子，γ為電機(jī)軸承系數(shù)、δ為摩擦力矩的溫度因子，ε為潤(rùn)滑因子，ξ為機(jī)械加工離散性因子。

航天應(yīng)用中，要求步進(jìn)電機(jī)的力矩裕度在3～7之間，以滿足步進(jìn)電機(jī)在軌長(zhǎng)期運(yùn)行的要求。

3.5 位置調(diào)整

每次切換光路，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到星載CPU要求的指定位置，這個(gè)位置是發(fā)射前在地面裝配時(shí)確定的。但是設(shè)備在軌運(yùn)行一段時(shí)間后，可能需要對(duì)指定位置進(jìn)行微調(diào)。

在調(diào)整過程中，根據(jù)回傳圖像，在原指定位置前后調(diào)節(jié)，以確定新的最佳位置。在調(diào)節(jié)過程中，步距角越小，調(diào)節(jié)越精確。本設(shè)計(jì)在整步停止的基礎(chǔ)上，加入半步停止機(jī)制，進(jìn)一步縮小了步距角。

圖13以4齒步進(jìn)電機(jī)為例，展示了步進(jìn)電機(jī)的整步停止和半步停止。步進(jìn)電機(jī)在整步停止時(shí)，如圖13(a)所示，定子的軟磁材料和轉(zhuǎn)子的永磁材料之間，存在一個(gè)磁力矩(靜止力矩)，使它們的相對(duì)位置保持在磁間隙最小的狀態(tài)；步進(jìn)電機(jī)半步停止時(shí)，如圖13(b)所示，轉(zhuǎn)子保持在磁間隙最大的位置。半步停止時(shí)，繞組需外加電流克服永磁材料的磁力矩，使電磁力矩和永磁力矩達(dá)到平衡。此時(shí)的電流，稱為半步停止電流，同樣通過PWM波的占空比調(diào)節(jié)，可在“轉(zhuǎn)動(dòng)指令”中通過“半步停止電流”字節(jié)進(jìn)行設(shè)置。半步停止電流越大，定位力矩越大，但同時(shí)產(chǎn)生的熱量也越大。

3.6 預(yù)研樣機(jī)

在本設(shè)計(jì)中，硬件邏輯設(shè)計(jì)由Verilog HDL語言實(shí)現(xiàn)，測(cè)試中使用Xilinx公司的Spartan3系列XC3S400pq-208型FPGA，綜合后FPGA中的資源占用情況如表1所示。

表1 FPGA資源占用情況

硬件電路設(shè)計(jì)為單板4層結(jié)構(gòu)，使用Cadence設(shè)計(jì)原理圖，Altium Designer設(shè)計(jì)PCB圖，電路板實(shí)物如圖14所示。左邊的接線端子為驅(qū)動(dòng)時(shí)序的輸出和霍爾信號(hào)的輸入，4片相同芯片為L(zhǎng)MD18200電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，中央芯片為FPGA，右下角的接線端子和芯片構(gòu)成了差分SPI接口。

本設(shè)計(jì)還構(gòu)建了上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件用于在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中模擬星載CPU，實(shí)現(xiàn)同步串行通信功能。上位機(jī)使用WPF(Windows Presentation Foundation)用戶界面框架及C#語言編寫。

4 結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

力矩測(cè)試的試驗(yàn)設(shè)備如圖15所示。步進(jìn)電機(jī)放置在試驗(yàn)平臺(tái)上，通過上位機(jī)和測(cè)試電路向步進(jìn)電機(jī)控制電路發(fā)送命令以改變電機(jī)的繞組電流和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，繞組內(nèi)電流通過電流示波器監(jiān)視。電機(jī)軸連接半徑已知的特制模具，模具連接砝碼，測(cè)量力矩。當(dāng)砝碼懸掛點(diǎn)穩(wěn)定在電機(jī)軸所在的水平面時(shí)，通過砝碼質(zhì)量計(jì)算出的輸出力矩，即為當(dāng)前速度和電流所能夠產(chǎn)生的輸出力矩。

測(cè)量精度的裝置與圖2相似。

4.2 力矩調(diào)節(jié)

測(cè)試中，無負(fù)載狀態(tài)下，電機(jī)脈沖頻率大于1 250 Hz(轉(zhuǎn)速大于0.64 s/圈)時(shí)，電機(jī)無法正常啟動(dòng)；電機(jī)脈沖頻率小于312.5 Hz(轉(zhuǎn)速小于2.56 s/圈)時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生明顯振動(dòng)。本設(shè)計(jì)中，初始脈沖頻率設(shè)置為1 000 Hz(0.8 s/圈)。

PWM周期為3.2 μs。初始頻率下，電機(jī)每步包含312.5個(gè)PWM周期，當(dāng)占空比達(dá)到25%時(shí)電機(jī)可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

初始脈沖頻率下，PWM波占空比、電機(jī)繞組內(nèi)電流和電機(jī)輸出力矩關(guān)系如圖16所示。其中，圖16(a)展示了占空比的變化導(dǎo)致電流變化，圖16(b)展示了電流的變化導(dǎo)致了輸出力矩的變化。

具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，初始頻率下，占空比每增加3.125%，電流增加0.01～0.04 A，輸出力矩范圍為從0.013～0.102 N·m。

當(dāng)電流調(diào)節(jié)無法產(chǎn)生足夠的輸出力矩時(shí)，再進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

本設(shè)計(jì)在PWM波占空比為100%，脈沖頻率為800 Hz時(shí)，力矩裕度可達(dá)到4，由于速度還有大量的可調(diào)節(jié)空間，故有足夠的力矩余量，滿足航天設(shè)計(jì)的要求。

由本節(jié)敘述可知，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路所能調(diào)節(jié)的輸出力矩范圍能夠匹配步進(jìn)電機(jī)從入軌初期到末期的輸出力矩要求。

4.3 運(yùn)行精度

轉(zhuǎn)動(dòng)部件要求轉(zhuǎn)動(dòng)到的3個(gè)位置分別為70.2°、87.3°和154.8°，要求的控制精度為±0.9°，本設(shè)計(jì)可達(dá)到的控制精度為±0.45°，滿足設(shè)計(jì)要求。

初始速度下(0.8 s/圈)，磁鋼和霍爾接近開關(guān)距離為1 mm時(shí)，霍爾接近開關(guān)的測(cè)量精度為單方向0.225°，小于0.45°，故系統(tǒng)零位穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過繞組內(nèi)電流和脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)了寬范圍在軌調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)輸出力矩的功能?；诖斯δ?，一顆8～10年的長(zhǎng)壽命衛(wèi)星，可以在入軌初期采用小電流高速度的小力矩驅(qū)動(dòng)方式，減少對(duì)結(jié)構(gòu)的磨損。

而在入軌中后期，隨著阻力矩變大，長(zhǎng)壽命衛(wèi)星通常需要在運(yùn)行的中期和后期分別進(jìn)行一次調(diào)整。在調(diào)整時(shí)，首選增加電流，當(dāng)增加電流無法滿足輸出力矩的需要時(shí)，再降低速度。這種設(shè)計(jì)，能夠有效延長(zhǎng)電機(jī)壽命，同時(shí)給使用者最大的調(diào)節(jié)空間。

該設(shè)計(jì)的接口，通用性強(qiáng)，功能齊備，覆蓋了星載設(shè)備要求的功能和性能指標(biāo)，可作為通用設(shè)計(jì)在今后多種場(chǎng)合使用。

目前，該設(shè)計(jì)已完成預(yù)研樣機(jī)，還需完成如下后續(xù)工作：

1)器件等級(jí)提升。在原理樣機(jī)和工程樣機(jī)中，擬采用軍級(jí)、航天級(jí)器件，為抵抗空間輻射[18]，防止單粒子翻轉(zhuǎn)[19-20](Single Event Upset， SEU)，F(xiàn)PGA擬采用反熔絲型FPGA。

2)主備板切換電路設(shè)計(jì)。原理樣機(jī)階段，擬設(shè)計(jì)為主備板結(jié)構(gòu)。即設(shè)計(jì)兩套相同電路并通過切換機(jī)構(gòu)進(jìn)行切換。

3)可靠性設(shè)計(jì)。根據(jù)航天工藝，加入可靠性設(shè)計(jì)。例如電阻電容的降額使用。

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(編輯：高珍)

Design of stepper motor control circuit for satellite based on FPGA

LIN Fang1，WANG Yu2,*，F(xiàn)U Yibin2，LU Fan2，CHANG Zhen1,2，QIU Xiaohan1,2

1.UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230031，China2.AnhuiInstituteofOpticsandFineMechanics，ChineseAcademyofScience，Hefei230031，China

A design of a circuit controlling stepper motors in a wide range of moment for special characteristics of long in-orbit operation and the difficulty to replace in space equipments was proposed. This design utilizes FPGA,Xilinx chip XC3S400-208, as the core control chip and LMD18200 as the driving chip of stepper motors. On the basis of a description of the circuit, the problem of the increase of resistance moment and the solutions of output moment adjustment in space equipments by PWM control and impulse frequency were discussed.Tests verified that the design′s maximum value of output moment in range makes moment margin reach 4 and the range of adjusting matches the requests of space equipments.

space equipments; adjustable moment; a circuit controlling stepper motors; FPGA; PWM control

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0022

2016-11-09；

2016-11-30；錄用日期：2017-01-24；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-05-31 14:13:19

http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170531.1413.012.html

國(guó)家自然科學(xué)基金(41275037)，安徽省自然科學(xué)基金(1408085MKL49)

林方(1992-)，男，碩士研究生，flin@aiofm.ac.cn，研究方向?yàn)殡娮訉W(xué)開發(fā)、電機(jī)控制等

*通訊作者：王煜(1970-)，男，博士，研究員，yuwang@aiofm.ac.cn，研究方向?yàn)殡娮訉W(xué)開發(fā)、光電信息獲取、CCD成像光譜儀等

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TM 351

A

http:∥zgkj.cast.cn