張 猛，祝曉麗，陸嬌娣，耿遠迎，王友平

(北京控制工程研究所，北京 100190)

一種高穩(wěn)定度太陽帆板驅動機構控制方法

張 猛，祝曉麗，陸嬌娣，耿遠迎，王友平

(北京控制工程研究所，北京 100190)

為了提高低軌遙感平臺衛(wèi)星用太陽帆板驅動機構(SADM，solar array drive mechanism)的速率穩(wěn)定度，降低太陽帆板轉動對星體姿態(tài)穩(wěn)定度的影響，在對SADM驅動原理分析和驅動性能測試的基礎上，明確了步進電機定位力矩對速率穩(wěn)定度的影響，并提出了定位力矩補償方法.在SADM轉速和轉矩測量平臺上，對定位力矩補償?shù)尿寗涌刂菩ЧM行了測試和對比分析，測試結果表明，采用定位力矩補償控制方法可以將SADM的速率穩(wěn)定度提高約一倍.

SADM；步進電機；定位力矩；補償；速率穩(wěn)定度

為滿足空間飛行器在軌能源供應的需要，大多數(shù)三軸穩(wěn)定飛行器采用帆板式太陽電池陣并使用太陽帆板驅動機構(SADM，solar array drive mechanism)使電池陣對日定向，以便盡可能多的獲取能源，同時通過太陽帆板驅動機構傳輸信號并向飛行器本體內部傳輸能源.太陽帆板驅動機構通常采用步進電機作為驅動源，步進電機具有定位精度高、無累積誤差和易于開環(huán)控制等優(yōu)點.

從驅動傳動結構上分類，太陽帆板驅動機構包括直接驅動型太陽帆板驅動機構和帶減速器的間接驅動型太陽帆板驅動機構.德國TELDIX GmbH公司、法國CNES公司及SEP公司、德法EADS Astrium公司和北京控制工程研究所均有直接驅動型SADM產品應用于地球靜止軌道或太陽同步軌道衛(wèi)星.直接驅動型SADM通常采用超小步距角的步進電機驅動，為了獲得更高的穩(wěn)定度，通常采取步進細分控制.由于沒有減速部件，直接驅動型SADM具有非常高的轉動壽命，但受限于步進電機的性能，驅動力矩不大.應用更為廣泛的是間接驅動型SADM，國際上各主要SADM生產商均有間接驅動型SADM產品，諧波減速器和直齒輪減速器是普遍應用的兩種減速器，步進電機整步距控制和微步細分控制均有應用.間接驅動型SADM可以獲得更小的步距角、更高的驅動力矩，適應各種衛(wèi)星平臺的使用需求.由于減速器的存在，SADM轉動壽命和可靠性受減速器性能影響[1-4].

步進電機通常具有較大的定位力矩，以提供機構不通電時的保持力矩.但對于采用微步細分驅動的SADM產品，定位力矩的存在會造成電機輸出軸步距角的周期性變化，表現(xiàn)在轉速上為轉速的周期性波動.隨著有效載荷精度的提高，衛(wèi)星平臺控制穩(wěn)定度指標已經要求優(yōu)于1×10-4(°)/s.而SADM驅動太陽帆板的轉動是衛(wèi)星Y軸最大的擾動量，SADM驅動的穩(wěn)定性直接關系整星平臺的穩(wěn)定度.對于直接驅動型SADM，步進電機的定位力矩特性直接影響驅動速率穩(wěn)定度.研制高性能低定位力矩步進電機和從電機控制角度減小定位力矩是兩種有效途徑[3-6].

本文對應用于低軌遙感平臺的步進電機直接驅動型SADM產品的驅動穩(wěn)定度進行了詳細地分析和測試，分析了步進電機定位力矩特性，提出了采用電流補償?shù)姆椒p小定位力矩影響，提高SADM的驅動速率穩(wěn)定度.在SADM轉速和轉矩測量平臺上對定位力矩補償前后的SADM驅動速率穩(wěn)定度進行了測試，試驗結果表明采用定位力矩補償方法可以將SADM速率穩(wěn)定度提高約一倍.

1 步進電機定位力矩分析

直接驅動型SADM無減速機構，步進電機輸出力矩直接作用在SADM軸系，步進電機自身所具有的定位力矩和驅動電路供電產生的電磁力矩波動都會直接作用在SADM轉軸.為了減小SADM輸出軸的步距角并提高SADM的速率穩(wěn)定度，采用微步細分控制驅動步進電機.

1.1步進電機模型

不考慮電機繞組磁滯、磁飽和，忽略電機繞組的互感等非理想因素，兩相混合式步進電機簡化模型包括如下電壓方程、力矩方程和機械運動方程[4-5]：

Te=Ta+Tb+TD

式中：ua、ub和ia、ib分別為電機AA′相和BB′相繞組的電壓和電流；R為相繞組電阻；L為相繞組自感；K為電機電磁力矩系數(shù)；N為電機轉子齒數(shù)；θ、ω分別為電機轉子轉角和轉速(即帆板轉角和轉速)；D為定位力矩幅值；Jm為電機轉軸轉動慣量(連接帆板時為SADM轉軸和帆板轉動慣量之和)；TL為電機軸上負載力矩，包括摩擦力矩和干擾力矩.

力矩方程中，Ta、Tb分別為電機AA′相和BB′相繞組相電流產生的電磁力矩，TD為步進電機定位力矩，該力矩與永磁同步電機的齒槽定位力矩類似，并與繞組電流大小無關.

1.2步進電機轉矩分析[7-8]

兩相混合式步進電機中，每相繞組獨立控制，按照特定的換向順序同時驅動兩相繞組使步進電機按照順時針或者逆時針方向轉動.圖1所示為兩相步進電機結構示意圖.表1中“+”表示電流流入方向，“-”表示電流流出方向.

圖1 兩相步進電機結構示意圖

表1 兩相步進電機換向順序表

圖2 步進電機轉矩與轉子位置關系

如圖2所示，在區(qū)域1內，45/N(°)為由AA′和BB′兩相產生的電磁力矩和定位力矩的合成力矩的平衡點.在區(qū)域2內，AA′相繞組和BB′相繞組產生的電磁轉力矩為負值，根據圖1所示換相順序，繞組AA′電流方向為從A′流向A，則圖2中所示的AA′相電磁力矩為正值，此時，在區(qū)域2內AA′相和BB′相產生的電磁力矩和定位力矩的合成力矩平衡點為135/N(°).依次類推，當如圖3所示的步進電機正向轉動時，可以獲得平衡位置附近作用于電機轉子的電磁力矩和定位力矩的合成力矩波形，即電機的實際輸出力矩.當采用雙四拍工作方式時，在平衡點的電磁力矩和定位力矩符號相反，使得在平衡點實際作用于轉子的力矩波形平緩，可能造成平衡時位置誤差變大.由于雙四拍工作方式的平衡位置與電機不通電時的平衡位置不同，在繞組不通電時，由于定位力矩的作用，步進電機將順時針或逆時針轉動約45/N(°).

圖3 正向轉動時平衡位置附近的電機驅動力矩和定位力矩

1.3微步細分控制轉矩分析

步進電機采用整步距驅動方式工作時在特定頻率和負載條件下存在振蕩現(xiàn)象，并且由于電機結構的影響，步距角受到一定的限制.為了獲得更小的步距角并抑制電機的振蕩，通常采用微步細分控制驅動兩相混合式步進電機.步進電機兩相繞組分別通以具有如下相位關系的正弦電流：

其中：Im為繞組電流幅值；α為兩相繞組電流的電角度.步進電機輸出轉矩如下：

微步細分控制過程中，按照式(6)控制兩相繞組電流為正弦時，由于定位力矩的作用，當步進電機轉動時步進電機實際輸出轉矩存在與定位力矩頻率一致的4次諧波.實際驅動過程中轉子轉動角度并不均勻，如圖4所示.轉子角度變化的不均勻直接造成轉速的波動，降低了SADM的速率穩(wěn)定度.

2 定位力矩補償方法

針對定位力矩周期性變化和大小與電機繞組電流無關的特性，提出在繞組參考電流波形上疊加定位力矩補償電流的方法減小或消除定位力矩的影響.定義兩相繞組參考電流波形如下:

將式(8)代入式(3)得

令式(9)右側后兩項為0，可得

實際控制過程中，由于采用開環(huán)控制，不測量轉子角位置θ，因此，無法直接獲得式(11)所示的參考電流波形.分析并測量遙感平臺SADM實際工作工況，理想情況下，SADM工作過程中，驅動力矩與阻力矩相等，如果阻力矩保持恒定，則兩相繞組參考電流表達式中的α與Nθ的差值保持恒定，在知道α與Nθ的差值的條件下，就可以確定參考電流波形.SADM空載和帶實際帆板工作時，阻力矩只存在于SADM內部，該阻力矩由軸承摩擦力矩、滑環(huán)摩擦力矩等組成.SADM以巡航速度轉動時的速度波動約為標稱速度的15%左右，考慮到SADM輸出軸自身轉動很慢，SADM的摩擦阻力矩變化很小，因此，可以在對阻力矩進行估算的基礎上確定α與Nθ的關系，并確定兩相繞組參考電流波形.

3 試驗結果

3.1SADM轉速和轉矩測量平臺

SADM轉速和轉矩測量平臺如圖5所示.在該平臺中，利用高精度光柵測量SADM輸出軸轉角，利用轉矩傳感器測量SADM輸出力矩，磁粉制動器實現(xiàn)在輸出軸上施加阻力矩負載.該平臺測角精度為0.41″，轉矩測量精度為20mN·m，最大轉矩測量范圍為10N·m，轉角采樣頻率高達100kHz.

圖5 SADM轉速和轉矩測量平臺

3.2試驗結果

遙感平臺SADM步進電機定位力矩約為單相繞組驅動力矩的4%，即k=0.04，SADM以巡航和應急模式運行時，α與Nθ差值約為36°.

在SADM轉速和轉矩測量平臺上對定位力矩補償前后的SADM輸出軸轉速進行了測量，測試條件：負載力矩為零，SADM輸出軸不帶慣性負載.圖6為定位力矩補償前后SADM轉速對比結果，標稱轉速為0.0715(°)/s.圖中周期性轉速尖峰由繞組電流換向造成.定位力矩補償后，由定位力矩造成的SADM輸出軸轉速波動明顯減小.

圖7為定位力矩補償前后轉速諧波對比結果.定位力矩補償后，與定位力矩相關的4次諧波幅值顯著減小.

采用300ms采樣周期對SADM輸出軸轉角變化進行了測量，按照式(12)計算了速率穩(wěn)定度

圖6 定位力矩補償前后SADM轉速對比結果

圖7 定位力矩補償前后轉速諧波對比結果

4 結 論

本文在對步進電機定位力矩分析的基礎上，提出了應用于直接驅動型SADM的步進電機定位力矩補償方法，在SADM轉速和轉矩測量平臺上對定位力矩補償前后SADM輸出軸轉速進行了對比測試.試驗結果表明，采用定位力矩補償后，SADM輸出軸轉速中與定位力矩相關的4次諧波幅值顯著減小，SADM轉動速率穩(wěn)定度能夠提高約一倍.

[1] 高星,王友平.太陽電池陣驅動機構的通用化、系列化和組合化設計[J].空間科學學報,2002,22(增刊2): 55-68

[2] 王友平,于國慶.太陽帆板驅動機構情報研究報告[R].北京：北京控制工程研究所,2008

[3] Rodriguez F D.Electromechanical motion control systems in spacecraft applications[R].AIAA 2006-7291,2005

[4] Atlas G,Thomin G.Experiences of CNES and SEP on space mechanisms rotating at low speed[C].The 21stAerospace Mechanisms Symposium,NASA Johnson Space Center,1987

[5] Patrick S,Christine E.High performance stepper motors for space mechanisms[C].The 29thAerospace Mechanisms Symposium,NASA Johnson Space Center,1995

[6] Rajagopal K R,Bhim S.An improved high resolution hybrid stepper motor for solar array drive of Indian remote sensing satellite[J].IEEE Trans.on Industry Applications,1997,33(4): 906-913

[7] Cornelis D K.Stepper motor[R].NASA Technical Report SAI-RPT-026，1994

[8] 劉寶廷,程樹康.步進電動機及其驅動控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997

AHighStablityControlMethodforSolarArrayDriveMechanism

ZHANG Meng,ZHU Xiaoli,LU Jiaodi,GENG Yuanying,WANG Youping

(BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190,China)

In order to improve the speed stability of solar array drive mechanism(SADM) used in a LEO remote sensing satellite and to reduce the effect of the motion of solar array on the satellite attitude stability,a compensation method for detent torque is proposed based on the detent torque analysis and testing results of direct drive SADM.A speed and torque testing equipment of SADM is used to test the driving performance with or without the detent torque compensation.The experimental results show that the speed stability of SADM is greatly improved.

SADM；step motor；detent torque；compensation；speed stability

2010-06-12

張猛(1978—)，男，遼寧人，博士，研究方向為航天器控制執(zhí)行機構技術(zhangm98@mails.tsinghua.edu.cn).

TM383.6

A

1674-1579(2010)04-0046-04