双自由度步进电动机在卫星天线控制中的应用

发表时间:2021/1/5   来源:《科学与技术》2020年27期   作者:张少儒
[导读] 立足双余度混合式步进电动机,展现其在卫星天线中控制,该系统涉及多个控制节点
        张少儒
        航天恒星空间技术应用有限公司卫通事业部  陕西西安  710077
        摘要:立足双余度混合式步进电动机,展现其在卫星天线中控制,该系统涉及多个控制节点,指向及位置伺服控制,主要由单片机与多计旋转变压器完成。将该系统的运行机制分析,介绍其外围的部分硬件电路,以及分析如何将断电定位、准确归零等目标实现,应用该方式将定位力矩提高。
        关键词:双自由度;卫星天线;混合式步进电动机;应用
        通讯卫星与地面进行完美信号接收及发送,需建立在伺服驱动层面,从而实现卫星天线双自由度准确位置,该进程中需确保伺服系统具备高精度、高质量。卫星天线位置实施跟踪,主要依赖位置伺服控制,为切实提升系统运行安全性及可靠性,各自由度均需配备相应的双余度电机。系统需在运行进程中保持稳定运行,避免运动惯性突变,将卫星在空间内位置变更。为满足卫星双自由度运行要求,本文主要介绍80C196KC单片机控制,选取双余度混合步进电机,作为最终指向驱动系统。
一、系统组成与工作原理
        卫星天线驱动系统构成元件较多,主要将单片机为核心,不仅包含步进电机及其驱动器,而且涉及多级旋转变压器,进而构成完成的自由度位置伺服系统,其结构如图一所示。混合式步电机,主要由单一两套绕组构成,将单余度永磁式转子,作为该电机转子,进而形成以双余感应子磁为核心的电机。单一绕组选取两相步进电机作为核心驱动器,并利用减速器,实现驱动及低速运动目标。该系统中以多计旋转变压器实现位置检测,而RDC转换器将实现速度检测,位置伺服系统主要包含两构成元件,即I/O与上位PC计算机。
        将4个独立混合台式步进电机功率,为系统功率核心驱动,并将其进行划分为两组,一组中包含两个电机,一个电机分别实现每个轴上的步进电机,双余度的工作模式较多多样,不仅包含主备份,而且涉及冷备份,为切实提升系统交互能力,将上述4个驱动板上电路布设相同。

二、系统电路介绍
1、单片机控制
        该系统控制模块,主要围绕单片机展开,将其与外围接口连接,作为该系统的控制部分。该系统中使用的单片机未能包含程序存储器,为实现存储功能,需将锁存器与EPROM联合,构成该系统的程序存储器。同时,选用型号为74HC138译码器,为单品机外围芯片地址选取提供便捷,最终呈现为最小控制系统。为将该系统步进脉冲灵敏性提升,该系统中选取一路步进电动机,将其主要控制步进脉冲,从高速输出端输出,将脉冲响应时间缩短。此外,该系统中单片机接口较多,其具有多元化及丰富性,所以可完成系统中两轴灵活切换,及时将各种运行指令、故障检测,直接传输至单片机I/O接口,最终完成数据处理。
        为提升系统中单片机运行效率,选取12MHz晶振,并对字节指令执行时间具有要个要求,一般将其设置为1us,加之未有单片机叠加作用,所以可将单片机运行速率提升。最后,该单片机拥有多个输入/出接口,可将脉冲进行实时处理;内置转换器可完成模拟信号采样。
2、系统信号调节
2.1系统I/O接口
        该系统单片机具备多个输入/出点,所以I/O接口核心目标为,将系统中全部输出/入信号接收及处理。该系统使用两片型号均为8255芯片,分别将其作为步进电机控制指令输出、采样归零信号及频率数字信号设定输入指令。但该芯片存在不足为,其拥有输出电流能力较为薄弱,所以为提升输出效率,需给予相应的三极管驱动电路,将其驱动能效提升,为控制信号进入步进电机驱动器之后,可安全将其输入至光电耦合器内。另一片8255芯片为归零及频率数字信号指令,此类信号均属于电平信号,所以可将其直接输入至对应接口内[1]。
2.2故障保护处理
        步进电机运行进程中,受各类因素影响,电机存在故障,会将其信号传输至驱动器,由其给予相应的报警提醒,为人们及时检修电机提供便捷。为此该系统中设置4个故障信号,并将其与相应的接口对应,当电机内部运行发生故障时,可通过单片机将其检测,系统被提供步进电机存在故障,单片机利用IP将其故障核心部位明确,将其呈现至相应的显示屏上,为操作人员做以提醒。
2.3键盘与LED显示
        该系统中两路自由度,利用相应LED将电机运行频率实时显示,整数包含三位,小数包含2位。为此该系统选取8279显示电路,将其芯片直接与单片机接口连接,进而将电机运行状况显示,可将单片机软件开销节省。当系统中译码器,将相关三极管驱动之后,并将其进行放大处理,进而将两个LED显示电路控制。
2.4位置、速度检测
        该系统中为实现位置及速度检测,选取旋转变压器,可切实保障检测数据准确性。旋转器输出相应的信号,利用转换器将其处理之后,且输出入计算机内部I/O接口内,便可完成位置实际量的采集,再对其位置信号进行微分处理,便可获取天线速度,进而形成完整通路位置、速度控制系统。该系统中并设有一个禁止信号,一个封存信号,之后其位数大于16位,才能使用禁止信号。
3、步进电机驱动电路
        本系统中,步进电机驱动电路,均选用集成芯片,型号为A3972A。该器件以恒流控制为主,其最大电流与电压范围具有严格的要求,细分控制对低速转矩波动具有一定抑制,可切实满足步进电机驱动所需。选取8位单片机,主要应用于驱动器,该单片机选取内核及指令系统中,具有较多优势,不仅内置程序存储器,而且体积占据面积小,对两相步进电机控制匹配性较高。为将该系统可靠性提升,驱动系统中设置输入为4路,不仅包含定宽变频输入信号、正反转控信号,而且涉及细分转换控制、使能控制信号。此外,为及时将系统运行故障信息给予操作人员,设定一路的故障信号,此类信号通过单片机接口传输[2]。
4、系统数字设定
        该系统主要为地面测试设备,将其与接口组成卫星天线伺服系统,或通过显示面板,完成电机性能测试。为进一步实现系统运行可靠性,可通过实现全数字控制,将系统频率设定及操作转换,一并显示于相应的显示屏上,根据实际状况实现数据加减设定,将控制面板复杂性削弱。同时,为将数据进行直观设定,需将系统中预置运转步数,也设置为三位数开关,无需实施模拟设定,便可将设定准确性提升。
三、位置归零与断电定位控制
        该系统归零具有一定复杂性,两轴归零不尽相同,其中针对A轴而言,其具有良好的归零能效,主要实现途径为,手动将归零指令发出后,最短时间内将电机完成旋转,驱动位置传感器将其归零脉冲接收,并将其输送至单片机,电机以正常运转速率旋转,当获取该脉冲趋于下降状态,电机停止转动,完成归零动作。而针对B轴而言,其运行范围为加减90o,该轴上装设相应的方向识别开关,电机运行状态可分为高电平与低电平,归零途径包含两种,即0o与90o。当电机转动至一定部位时,为节省电能,要求其与驱动机中断,所以电机仍需具备定位力矩。电机体积受限,决定其转矩较小,所以为将其数值增大,该系统选取继电器断电定位控制方式。
结束语
        基于上述系统各控制部分分析,步进电机主要实现电流细分,且波形与正弦波相似,若对其未能细分主要呈现为方波;系统可实现预制电机运转步数设定,电机可根据初设值,进行持续性完成动作。此外,为实现系统全数字控制,选用5片单片机构成,不仅拥有高精确性,而且操作较为直观,携带便捷。
参考文献
[1]韩啸天, 邢鹏. 车载卫星天线步进电动机的运行和锁定[J]. 电子测试, 2019(12):55-57.
[2]王颖. 浅谈船用卫星天线伺服系统的控制[J]. 数字化用户, 2019(11):158.作者简介:张少儒(1979—),男,汉族,本科,研究方向:卫星通信产品系统设计与开发。
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