張興國(guó), 周世安,雷海軍,李 慶,范松濤

（北京控制工程研究所 北京 100190）

交叉重組方法在帆板驅(qū)動(dòng)線路中的應(yīng)用研究

張興國(guó), 周世安,雷海軍,李 慶,范松濤

（北京控制工程研究所 北京 100190）

帆板驅(qū)動(dòng)線路（SADE: Solar Array Drive Electronics）和電機(jī)繞組的連接通常是固定的，即驅(qū)動(dòng)線路的主備份分別連接電機(jī)繞組的主備份。原理上看，主備份線路是相互獨(dú)立的，但考慮主備份電機(jī)繞組是并繞模式，工作的電機(jī)繞組會(huì)通過(guò)電磁耦合施加電應(yīng)力到非工作線路，從而對(duì)非通電器件產(chǎn)生應(yīng)力沖擊，影響整機(jī)性能。本文通過(guò)在驅(qū)動(dòng)線路和繞組間引入交叉重組設(shè)計(jì)，解決了主備份驅(qū)動(dòng)線路之間的耦合影響，大大提高了可靠性。

帆板驅(qū)動(dòng)線路；電磁耦合；交叉重組；可靠性

為了提高太陽(yáng)電池陣的發(fā)電效率，越來(lái)越多的航天器安裝了帆板驅(qū)動(dòng)裝置（SADA: Solar Array Drive Assembly），以驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)帆板使之對(duì)日定向[1]，SADA的驅(qū)動(dòng)源主要采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)[5]，電機(jī)繞組由主備份構(gòu)成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路也由主備兩個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路和電機(jī)繞組的連接通常是固定的，即驅(qū)動(dòng)線路的主備份分別接在電機(jī)繞組的主備份。從原理上看，主備份線路是相互獨(dú)立的。但考慮到主備份電機(jī)繞組通過(guò)電機(jī)的電磁耦合作用，工作線路會(huì)通過(guò)電機(jī)繞組影響到非工作線路。為從根本上解決主備份線路間的影響并簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)線路的設(shè)計(jì)，提出了驅(qū)動(dòng)線路和電機(jī)繞組交叉重組設(shè)計(jì)方法，其優(yōu)點(diǎn)是既保證了主備份線路間的最大隔離、實(shí)現(xiàn)真正的冷備份目標(biāo)，同時(shí)保證在任一單份線路故障和任一單份繞組斷路故障同時(shí)出現(xiàn)時(shí)仍能使電機(jī)正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 驅(qū)動(dòng)線路功能簡(jiǎn)介

本文介紹的帆板驅(qū)動(dòng)線路是應(yīng)用于雙軸帆板驅(qū)動(dòng)裝置（A軸和B軸），即同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，A、B軸都采用二相電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)的繞組均有主備份，每相繞組2根引出線，共8根引出線。整個(gè)驅(qū)動(dòng)線路由二次電源模塊、控制線路、驅(qū)動(dòng)線路和切換線路組成，控制線路是以80C32為核心的單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)串行通訊口接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令，控制驅(qū)動(dòng)線路輸出電機(jī)繞組電流信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作在不同的工作模式下，同時(shí)采集電機(jī)A軸和B軸零位信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)角，另外還具有遙測(cè)電機(jī)繞組電流、機(jī)構(gòu)軸溫和殼溫等遙測(cè)量功能，通過(guò)串口通訊發(fā)送到上位機(jī)。

如圖1所示，為保證衛(wèi)星高可靠的應(yīng)用需求，整個(gè)線路由主、備份兩個(gè)相同系統(tǒng)組成，使用主份線路還是備份線路，是由切換板根據(jù)主備份系統(tǒng)的一次電源加電狀態(tài)自動(dòng)切換，驅(qū)動(dòng)線路連接電機(jī)主份繞組還是連接備份繞組，也由切換板根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的繞組切換指令控制。

2 驅(qū)動(dòng)線路和電機(jī)繞組交叉重組設(shè)計(jì)

以往的電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路和電機(jī)繞組的連接是固定的，即驅(qū)動(dòng)線路的主備份分別接在電機(jī)繞組的主備份，原理上看，主備份線路是相互獨(dú)立的。但由于主備份電機(jī)繞組是并繞模式，工作的電機(jī)繞組會(huì)通過(guò)電磁耦合施加電應(yīng)力到非工作線路，從而對(duì)非通電器件產(chǎn)生應(yīng)力沖擊，另外，單份線路輸出接口處的器件失效，可能導(dǎo)致另一份也不能正常工作，使整機(jī)性能下降甚至失效，主備份達(dá)不到冗余設(shè)計(jì)目的。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig. 1 System block diagram

圖2 切換板原理框圖Fig. 2 Switching circuit diagram

為從根本上解決主備份線路間的影響并簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)線路的設(shè)計(jì)，提出了驅(qū)動(dòng)線路和電機(jī)繞組交叉重組的設(shè)計(jì)方法，在保留兩套相對(duì)獨(dú)立的主備份驅(qū)動(dòng)線路的同時(shí)，增加切換線路，如圖2所示，在每路驅(qū)動(dòng)輸出通路上設(shè)置前后兩組繼電器，使驅(qū)動(dòng)線路主備份和電機(jī)繞組負(fù)載主備份連接均可控制，保證非工作的驅(qū)動(dòng)線路和非工作的電機(jī)繞組經(jīng)繼電器隔離，不受工作繞組的電流影響，解決了主備份驅(qū)動(dòng)線路之間的耦合影響，保證了電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)主備份線路一次電源上電情況決定將電機(jī)繞組接在主份驅(qū)動(dòng)線路還是備份驅(qū)動(dòng)線路，繞組主備份切換是根據(jù)上位機(jī)控制單元的命令決定使用主份電機(jī)繞組還是備份電機(jī)繞組。

圖3 切換線路連接圖Fig. 3 Switching circuit connection diagram

采用這種交叉重組方式徹底解決了主備份線路間耦合的影響，并且通過(guò)切換控制，使帆板驅(qū)動(dòng)線路驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組工作具有4種驅(qū)動(dòng)模式：主份線路驅(qū)動(dòng)主份電機(jī)繞組、主份線路驅(qū)動(dòng)備份電機(jī)繞組、備份線路驅(qū)動(dòng)主份電機(jī)繞組、備份線路驅(qū)動(dòng)備份電機(jī)繞組，在任一單份驅(qū)動(dòng)線路故障和任一單份電機(jī)繞組斷路故障同時(shí)出現(xiàn)時(shí),仍能保證電機(jī)正常工作，從而大大提高產(chǎn)品可靠性。

驅(qū)動(dòng)線路本身已采用主備兩個(gè)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，因而切換線路的可靠性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，為保證切換線路的可靠，設(shè)計(jì)時(shí)將每個(gè)繞組的每端由兩個(gè)繼電器并聯(lián)切換，繞組兩端的切換采用一個(gè)指令控制保證同時(shí)切換，每個(gè)繞組兩端的切換不在同一個(gè)繼電器上。如圖3所示，通過(guò)對(duì)切換線路矩陣設(shè)計(jì)，保證在任意一個(gè)繼電器出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)切換功能沒(méi)有影響，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

為保證A、B軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一致性，A、B軸電機(jī)的繞組主備切換采用同步進(jìn)行，即A軸電機(jī)切用備份繞組，B軸電機(jī)同步也切用備份繞組，因而控制電機(jī)主備份繞組切換的所有繼電器線包可分2組驅(qū)動(dòng)，由于主備份驅(qū)動(dòng)線路切換只受一次電源加斷電狀態(tài)控制，所以控制驅(qū)動(dòng)線路主備份切換的所有繼電器線包也只分2組驅(qū)動(dòng)。為保證可靠性工作，每組線包驅(qū)動(dòng)線路都采用2套并聯(lián)[6]，如圖4所示。

圖4 繼電器驅(qū)動(dòng)線路Fig. 4 Relay drive circuit

繼電器驅(qū)動(dòng)線路的指令輸入采用微分隔直處理，微分線路時(shí)間常數(shù) T≈4.7 μF×10 kΩ=47 ms，遠(yuǎn)大于繼電器（設(shè)計(jì)選用TL26PF70YS）的最大動(dòng)作時(shí)間2 ms。

考慮到繼電器TL26PF70YS的最小動(dòng)作時(shí)間可以達(dá)到600 μs、比較靈敏，為防止驅(qū)動(dòng)線路輸入端可能出現(xiàn)的干擾造成繼電器誤動(dòng)作，線路增加了抗干擾濾波設(shè)計(jì)（電容C11～C14）。假定干擾脈沖為幅度5 V、寬度1 ms的信號(hào)，干擾不會(huì)造成繼電器誤動(dòng)作的條件是：

所以選用兩個(gè)0.47 μF電容串聯(lián)可以滿足抗干擾要求，同時(shí)要求指令寬度大于10 ms，以保證切換可靠。

3 結(jié) 論

通過(guò)在帆板驅(qū)動(dòng)線路和電機(jī)繞組間的交叉重組設(shè)計(jì)，使得主備份驅(qū)動(dòng)線路間進(jìn)行了最大隔離，保證系統(tǒng)可靠性運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)真正的冷備份冗余設(shè)計(jì)。同時(shí)保證在任一單份線路故障和任一單份繞組斷路故障時(shí)仍能使電機(jī)正常工作，從而大大提高了可靠性，本電路設(shè)計(jì)對(duì)同類線路設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值。

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Study of the cross recombination method used in solar array drive electronics

ZHANG Xing-guo, ZHOU Shi-an, LEI Hai-jun, LI Qing, FAN Song-tao
（ Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China）

Solar Array and motor coils is usually fixed together. That is to say, the main backup of the drive electronics respectively connected to the main backup of the motor coils. In principle, the main and the backup circuit are separated between each other. But the mode of the main backup coils is parallel wound. The working motor coils will exert electric stress to non-working coils by electromagnetic coupling. That will produce stress to the non-powed components, and impact the performance of the drive electronics. In this paper, we design cross recombinations between the array driving circuit and motor coils, which can eliminate the electromagnetic coupling effects between the main and the backup circuit, and greatly improve the reliability.

SADE; electromagnetic coupling; cross recombinations; reliability

TN710

A

1674-6236(2014)03-0178-03

2013–07–03 稿件編號(hào)：201307031

張興國(guó)(1978—)，男，江蘇灌云人，碩士，工程師。研究方向：星載計(jì)算機(jī)及可靠性設(shè)計(jì)。