一種星上低功耗高精度二維指向機械驅動器的制作方法

本發明涉及空間技術領域，特別涉及一種星上低功耗高精度二維指向機械驅動器。

背景技術：

現役飛行衛星太陽陣驅動器均采用傳統的恒流驅動方式，該方式通過控制驅動大功率晶體管的基極，使晶體管的集電極和發射極絕大部分時間工作在放大狀態(晶體管的集電極和發射極的其它工作時間處于飽和導通狀態以及關斷截止狀態)，處于放大狀態時的晶體管電流損耗大，導致傳統驅動器功耗過大。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種星上低功耗高精度二維指向機械驅動器，以解決現役飛行衛星太陽陣驅動器采用的恒流驅動方式，使處于放大狀態時的晶體管電流損耗大，導致傳統驅動器功耗過大的問題。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是：提供一種星上低功耗高精度二維指向機械驅動器，包括：電源模塊，將驅動器接收的電源變換成所述驅動器內部所需的控制電源；控制模塊，接收上位機的串行指令，并發送反饋信號；通過解算控制指令控制fpga發送步進電機驅動信號；fpga將輸出的繞組電流波形細分成n級近似階梯波驅動電機，使電機繞組的電流信號逼近模擬連續信號；驅動模塊，對所述控制模塊產生的驅動信號進行功率放大。

進一步地，所述電源模塊將驅動器接收的一次母線+28v電源，變換成所述驅動器內部所需的+5v和±12v控制電源。

進一步地，fpga將接收到的電機控制指令，以正弦波作為基準波，用fpga對晶振進行計數，輸出一列不對稱三角波信號，作為載波與正弦波相交，由它們的交點確定逆變器的開關模式。

進一步地，當正弦波高于三角波時，則使相應的開關器件導通；當正弦波低于三角波時，開關器件截止，從而調制成對應的脈寬調制信號驅動電機。

進一步地，所述驅動模塊采用兩組h橋驅動組件，對二維指向機構電機的兩個繞組進行控制。

進一步地，控制模塊中的cpu通過rs-422接口接收上位機的串行指令，并發送反饋信號。

本發明提供的星上低功耗高精度二維指向機械驅動器，其驅動方式從原來的恒流源驅動改為脈寬調制(pwm)驅動，pwm驅動完全利用大晶體管開關特性對固定的直流電壓進行調制，從而降低了驅動功耗，解決了原星上驅動器功耗大，體積大，重量重等問題；采用細分驅動技術將步進電機固定步距角轉動方式劃分為在細小時間內轉動微小角度并保持微步內轉子磁場平衡，以提高二維機構指向精度和穩定度。該驅動器能驅動二維指向機構完成規定范圍內的運動，并大大降低同樣工況下的功耗。

附圖說明

下面結合附圖對發明作進一步說明：

圖1為本發明實施例提供的星上低功耗高精度二維指向機械驅動器模塊結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的對半周期細分數為9時步進電機spwm細分斬波驅動示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的星上低功耗高精度二維指向機械驅動器作進一步詳細說明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

本發明的核心思想在于，本發明提供的星上低功耗高精度二維指向機械驅動器，其驅動方式從原來的恒流源驅動改為脈寬調制(pwm)驅動，pwm驅動完全利用大晶體管開關特性對固定的直流電壓進行調制，從而降低了驅動功耗，解決了原星上驅動器功耗大，體積大，重量重等問題；采用細分驅動技術將步進電機固定步距角轉動方式劃分為在細小時間內轉動微小角度并保持微步內轉子磁場平衡，以提高二維機構指向精度和穩定度。該驅動器能驅動二維指向機構完成規定范圍內的運動，并大大降低同樣工況下的功耗。

圖1為本發明實施例提供的星上低功耗高精度二維指向機械驅動器模塊結構示意圖。參照圖1，星上低功耗高精度二維指向機械驅動器包括：電源模塊11，將驅動器接收的電源變換成所述驅動器內部所需的控制電源；控制模塊12，接收上位機13的串行指令，并發送反饋信號；通過解算控制指令控制fpga發送步進電機驅動信號；fpga將輸出的繞組電流波形細分成n級近似階梯波驅動電機，使電機繞組15的電流信號逼近模擬連續信號；驅動模塊14，對所述控制模塊12產生的驅動信號進行功率放大。

在本發明實施例中，所述驅動模塊14采用兩組h橋驅動組件，即驅動模塊14包括x軸驅動模塊14a以及y軸驅動模塊14b，對二維指向機構16的兩個電機繞組進行控制，即x軸電機繞組15a和y軸電機繞組15b。

在本發明實施例中，所述電源模塊11將驅動器接收的一次母線+28v電源，變換成所述驅動器內部所需的+5v和±12v控制電源；控制模塊12中的cpu通過rs-422接口接收上位機13的串行指令，并發送反饋信號。

進一步地，fpga將接收到的電機控制指令，以正弦波作為基準波，用fpga對晶振進行計數，輸出一列不對稱三角波信號，作為載波與正弦波相交，由它們的交點確定逆變器的開關模式。當正弦波高于三角波時，則使相應的開關器件導通；當正弦波低于三角波時，開關器件截止，從而調制成對應的脈寬調制信號驅動電機。

本發明提供的星上低功耗高精度二維指向機械驅動器采用fpga實現二維步進電機spwm細分斬波驅動方式。該方式利用脈寬調制技術使大功率管完全工作在飽和導通(接通)和關斷截止狀態(斷開)，減少了晶體管不必要的電流損耗，將輸入的控制電壓轉換成固定頻率的矩形波，通過調節矩形波“占空比”從而控制功率管通斷時間的長短，即改變輸出到電機繞組上的平均電流，從而改變步進電機輸出力矩大小，解決步進電機高速轉動力矩下降的缺點。spwm斬波的特點是：當電機速度一定時，半個周期中，輸出的脈沖幅值相同，頻率相同，矩形波中間占空比大，兩端占空比小，各脈沖面積與該區間正弦波下的面積成正比，這樣輸出電壓中的低次諧波分量可以大大減少。

采用細分驅動技術將步進電機固定步距角轉動方式劃分為在細小時間內轉動微小角度并保持微步內轉子磁場平衡，以提高二維機構指向精度和穩定度的技術。當全步距角細分數足夠大時，電機繞組的電流信號就逼近模擬連續信號。

細分驅動控制的關鍵是用細分電流波形來控制步進電機各相繞組中的電流，本發明提供的星上低功耗高精度二維指向機械驅動器用fpga實現對正弦波進行細分，采用spwm形式輸出斬波。電機轉速不同，脈沖周期(正弦波周期)不同，一個脈沖周期，電機固定走4個步距角，就可以計算在不同速度下，對一個脈沖周期進行n細分后的每個細分點時間：假定當前電機速度為ω，步距角為θ，細分數為n，則在該電機速度下每個細分點持續時間t為：

t＝4×θ/(ω×n)(1)

圖2為本發明實施例提供的對半周期細分數為9時步進電機spwm細分斬波驅動示意圖。參照圖2，fpga對晶振進行計數，輸出一列不對稱三角波信號，作為載波。例如fpga晶振為24mhz，斬波計數器位寬設置為10位，當計滿全’1’，則重新開始計數，否則每一個時鐘上升沿，對計數器加’1’操作，則實現固定頻率為23.4375khz，最大幅值為1023的非對稱三角波。

fpga例化一張細分表，用于存放將正弦波進行n個細分的細分點值，圖2以半周期細分數為9舉例說明斬波輸出方式，圖中半周期階梯波形數量為9。設置可調占空比，用于改變輸出繞組上的平均電流值，所以經過占空比處理的正弦細分表值作為基準波(調制波)用于和非對稱三角波(載波)進行比較，當正弦基波的值大于三角波的值，則輸出的斬波脈沖為高電平，否則為低電平。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變形而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。