仇存凱，姜海洋，張曉慧，岑啟峰，付培華

(1.上海航天控制技術(shù)研究所·上海·201109；2.上海慣性工程技術(shù)研究中心·上?！?01109)

0 引 言

在軌補(bǔ)加功能是長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的航天器的重要組成部分，為航天器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整和軌道控制提供能源支持。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)安全可靠地運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)在軌補(bǔ)加功能的關(guān)鍵?；诓竭M(jìn)電機(jī)具有啟停響應(yīng)迅速、運(yùn)行精度高等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)方案采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)。

步進(jìn)電機(jī)是一種可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件，每輸入一個(gè)脈沖，電機(jī)隨之轉(zhuǎn)過一定角度，從而可以通過控制電脈沖輸入個(gè)數(shù)來控制電機(jī)運(yùn)行的位置。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一周，其位置回到上一周起始位置，位置誤差不會(huì)無限累積，但步進(jìn)電機(jī)同樣存在易失步、振動(dòng)大等缺點(diǎn)。

此外，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)相電流的控制，文獻(xiàn)[6-8]采用基于空間矢量的PID控制算法，文獻(xiàn)[9]采用基于細(xì)分技術(shù)的PID控制算法，具有較高的控制精度。但PID控制算法各參數(shù)之間存在較為復(fù)雜的耦合性，且參數(shù)整定復(fù)雜，不利于產(chǎn)品調(diào)試和軟件移植。

本文針對(duì)上述問題，提出了步進(jìn)電機(jī)相電流自適應(yīng)閉環(huán)控制方案。方案采用細(xì)分技術(shù)，由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)根據(jù)硬件比較結(jié)果實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)恒流斬波控制，在降低軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，將步進(jìn)電機(jī)相電流誤差限定在10%范圍內(nèi)，以提高步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的平穩(wěn)性，保證浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的可靠運(yùn)行。

1 細(xì)分技術(shù)

細(xì)分技術(shù)是指對(duì)步進(jìn)電機(jī)每一個(gè)單步進(jìn)行細(xì)分，將每一單步細(xì)分成步，稱為細(xì)分。通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分控制，可以提高步進(jìn)電機(jī)分辨率、減輕電機(jī)振動(dòng)、降低噪聲、減小失步概率，從而使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

以兩相步進(jìn)電機(jī)為例，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分控制。通常按正弦規(guī)律設(shè)定各相電流，使電機(jī)總電流處于恒定狀態(tài)。兩相電流矢量圖如圖1所示。

圖1 步進(jìn)電機(jī)兩相電流隨角度變化示意圖Fig.1 Schematic diagram of stepper motor two phases current changing with angle

電機(jī)工作在恒流狀態(tài)下，圖1中總電流為恒值，各相電流計(jì)算如式( 1 )所示。

(1)

式中，、、、分別表示步進(jìn)電機(jī)總電流、A相電流、B相電流、偏轉(zhuǎn)角，其中偏轉(zhuǎn)角定義為步進(jìn)電機(jī)每運(yùn)行一步，轉(zhuǎn)子偏離初始位置的角度。

對(duì)兩相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行兩細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制，電機(jī)每相繞組通電一周，電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行八拍，運(yùn)行規(guī)律如圖2所示。

根據(jù)式(1)可知，步進(jìn)電機(jī)工作在恒流狀態(tài)下，每一拍對(duì)應(yīng)的各相電流在當(dāng)前拍保持恒定。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置變化時(shí)，各相電流隨偏轉(zhuǎn)角變化波形如圖3所示，通過對(duì)每一相電流分別進(jìn)行恒流斬波控制，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)總電流恒定。

(a)A相電流波形

2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)在軌補(bǔ)加浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的恒流控制，本文系統(tǒng)采用斬波的方式調(diào)節(jié)各相繞組通電時(shí)間，以控制繞組電流大小，其硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig.4 Hardware design architecture of stepper motor driving control

圖4中，F(xiàn)PGA接收中央處理器(Central Processing Unit, CPU)步進(jìn)電機(jī)控制指令，分別輸出A、B相的方向信號(hào)、剎車信號(hào)，以及脈沖寬度調(diào)制(Pluse Width Modulation, PWM)信號(hào)至18200驅(qū)動(dòng)芯片，由18200分別輸出A、B相驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。同時(shí),FPGA根據(jù)圖3所示相電流變化規(guī)律給定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在相應(yīng)位置時(shí)的電流數(shù)據(jù)，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后得到相電流設(shè)定值。由18200輸出的A、B相采樣電流經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后分別輸出至各自電壓比較器，與相電流設(shè)定值進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果反饋至FPGA，由FPGA進(jìn)行斬波處理，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。

斬波控制原理如下所述：當(dāng)A相或B相在當(dāng)前拍通電時(shí)，F(xiàn)PGA根據(jù)比較器輸出信號(hào)對(duì)輸出的A相或B相PWM信號(hào)進(jìn)行斬波。以A相為例，當(dāng)相電流實(shí)際值小于設(shè)定值時(shí)，比較器輸出未過流信號(hào)(高電平)，F(xiàn)PGA檢測(cè)到未過流信號(hào)后，輸出高電平PWM信號(hào)，繞組通電，相電流上升；當(dāng)相電流實(shí)際值超過設(shè)定值時(shí)，比較器將輸出過流信號(hào)(低電平)，此時(shí)FPGA輸出低電平PWM信號(hào)，繞組斷電，相電流下降；當(dāng)相電流實(shí)際值低于設(shè)定值時(shí)，繞組再次通電，相電流上升，如此循環(huán)往復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)恒流控制。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

基于FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程、并行處理的優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)采用FPGA作為處理器，構(gòu)建圖5所示狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)在軌補(bǔ)加步進(jìn)電機(jī)兩細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制。

圖5 步進(jìn)電機(jī)兩細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)Fig.5 Two subdivision control state machine of stepper motor

圖5中，狀態(tài)機(jī)初始狀態(tài)為IDLE狀態(tài)，每檢測(cè)到一個(gè)有效的步頻脈沖step_pulse_p，狀態(tài)機(jī)根據(jù)方向信號(hào)m_dir_c向不同方向跳轉(zhuǎn)一次，在系統(tǒng)復(fù)位或因異常跳出狀態(tài)機(jī)后重新進(jìn)入初始狀態(tài)。m_dir_c = ′1′，電機(jī)方向定義為正轉(zhuǎn)；m_dir_c = ′0′，電機(jī)方向定義為反轉(zhuǎn)。狀態(tài)機(jī)各狀態(tài)說明如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)兩細(xì)分控制狀態(tài)機(jī)狀態(tài)說明

各狀態(tài)下，由FPGA輸出相電流設(shè)定值至DA，經(jīng)硬件電路處理后，由比較器反饋電流比較結(jié)果至FPGA。FPGA接收比較器反饋值，判斷電機(jī)是否過流，并根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)通電繞組PWM信號(hào)進(jìn)行斬波輸出，其控制流程如圖6所示。

圖6所示流程為步進(jìn)電機(jī)控制狀態(tài)機(jī)處于每一動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)PGA根據(jù)當(dāng)前所處狀態(tài)進(jìn)行繞組通電判斷，繞組通電時(shí)，使能PWM信號(hào)輸出，否則無輸出。PWM使能輸出情況下，F(xiàn)PGA判斷通電相數(shù)，根據(jù)通電相數(shù)更新相電流設(shè)定值并輸出至DA芯片。經(jīng)硬件電路處理并反饋后，F(xiàn)PGA對(duì)電機(jī)過流狀態(tài)進(jìn)行判斷，電機(jī)未過流，PWM輸出有效電平，否則置無效，由此實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)兩細(xì)分恒流斬波閉環(huán)控制。

圖6 步進(jìn)電機(jī)PWM信號(hào)斬波控制流程Fig.6 Control process of stepper motor PWM signal chopping

3 測(cè)試驗(yàn)證

采用Modelsim仿真工具，對(duì)步進(jìn)電機(jī)PWM信號(hào)斬波過程進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 步進(jìn)電機(jī)PWM信號(hào)斬波仿真圖Fig.7 Simulation diagram of stepper motor PWM signal chopping

圖7中：clk_i、rst_n_i、cur_A_i(1)、m2_pwm_o(0)、cur_B_i(1)、m2_pwm_o(1)、curr_powerswitch_state分別定義為時(shí)鐘信號(hào)(16MHz)、復(fù)位信號(hào)、A相過流信號(hào)(高電平有效)、A相PWM信號(hào)、B相過流信號(hào)(高電平有效)、B相PWM信號(hào)、兩細(xì)分控制狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)。

從仿真圖7中可以看出，在不同狀態(tài)下，當(dāng)繞組通電時(shí)，PWM信號(hào)輸出電平跟隨繞組過流狀態(tài)變化，即各相繞組過流時(shí)，對(duì)應(yīng)相PWM信號(hào)輸出無效電平(低電平)，反之輸出有效電平(高電平)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)PWM信號(hào)斬波輸出。

為驗(yàn)證PWM信號(hào)斬波后對(duì)步進(jìn)電機(jī)相電流的控制效果，搭建圖8所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖8 在軌補(bǔ)加步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.8 Schematic diagram of the in-orbit refueling stepper motor experimental platform

圖8中，在軌補(bǔ)加控制系統(tǒng)接收上位機(jī)電機(jī)控制指令，解析控制指令后經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)至步進(jìn)電機(jī)，并反饋遙測(cè)信號(hào)至上位機(jī)。為分析不同設(shè)定值下相電流的變化情況，通過示波器記錄波形，具體如圖9所示。

(a) 相電流設(shè)定值1A

根據(jù)示波器測(cè)量結(jié)果計(jì)算相電流誤差百分比(誤差最大值/設(shè)定值×100%)，相電流設(shè)定值分別為1A、2A、3A時(shí)，對(duì)應(yīng)的誤差百分比分別為8%、4%、4%，控制結(jié)果符合需求。

4 結(jié) 論

本文提出了一種步進(jìn)電機(jī)相電流自適應(yīng)閉環(huán)控制方案，該方案通過比較器對(duì)相電流設(shè)定值和實(shí)際值進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果反饋給FPGA，由FPGA根據(jù)反饋值對(duì)電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行斬波處理。這有效降低了FPGA軟件控制流程的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，同時(shí)省去了電流閉環(huán)控制參數(shù)調(diào)整環(huán)節(jié)，極大方便了步進(jìn)電機(jī)恒流控制調(diào)試過程。

本文基于上述方法進(jìn)行了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，通過Modelsim仿真工具對(duì)FPGA輸出的PWM信號(hào)斬波過程進(jìn)行仿真，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)斬波控制效果進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，采用FPGA、DA芯片、比較器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片等器件構(gòu)建閉環(huán)回路對(duì)電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行斬波，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)恒流控制，保證了浮動(dòng)連接機(jī)構(gòu)在恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)下平穩(wěn)進(jìn)行在軌補(bǔ)加，為航天器長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。