李麗嬌,石 然,嚴 丹,馬吉雨,張 俊

0 引 言

太陽翼，即太陽能帆板，主要應(yīng)用于衛(wèi)星、宇宙飛船的供能.衛(wèi)星發(fā)射時太陽翼處于折疊轉(zhuǎn)態(tài)，星箭分離后打開并在衛(wèi)星飛行過程中不斷調(diào)整方向，使太陽能板對準太陽，為整星工作提供能量[1].由于擔負著為衛(wèi)星提供能源的重要任務(wù)，太陽翼在發(fā)射后能否正常工作直接影響著衛(wèi)星發(fā)射的成敗.其中，驅(qū)動控制器作為太陽翼機構(gòu)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，對機構(gòu)的穩(wěn)定、高精度運行起著關(guān)鍵性的作用.

相關(guān)文獻針對星載太陽翼驅(qū)動控制進行了研究，其中任守志給出了星載太陽翼研制體系、部件技術(shù)和搭載驗證等方面的建議[2]；黃洪鐘對太陽翼驅(qū)動結(jié)構(gòu)建模并進行故障分析[3]；劉強通過增大系統(tǒng)振動阻尼，控制太陽翼姿態(tài)調(diào)整后的殘余振動衰減[4].經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有文獻大多是對太陽翼的展開或驅(qū)動結(jié)構(gòu)進行可靠性評估、故障分析[5]，缺乏完整的驅(qū)動設(shè)計，這是因為一方面航天器件朝著長壽命、高可靠、高精度的方向發(fā)展，可靠性評估和故障分析有著非?，F(xiàn)實的意義，另一方面由于航天技術(shù)的保密性，驅(qū)動控制相關(guān)論文的獲取受限.

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種適用于太陽翼的綜合驅(qū)動控制器，以現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA為核心，使用硬件描述語言VHDL編寫其邏輯功能，通過RS-422異步通信串口接收上位機指令，結(jié)合采集到的位置信息和電流信息實現(xiàn)對太陽翼進行高可靠、高精度的運動控制.設(shè)計在Modlesim中進行仿真，并在FPGA開發(fā)板、步進電機及相關(guān)外圍電路上進行實物驗證.

1 系統(tǒng)需求及分析

由于太空中電磁、輻射環(huán)境比較惡劣，當高能粒子進入半導(dǎo)體器件靈敏區(qū)時會使器件邏輯反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致計算結(jié)果錯誤、工作異常，嚴重時會發(fā)生災(zāi)難性事故.因此本文選用航天級反熔絲FPGA器件，可有效避免單粒子反轉(zhuǎn)效應(yīng).

太陽翼在工作時由于展開面積大，質(zhì)心離衛(wèi)星本體遠，大角度快速姿態(tài)機動會對衛(wèi)星產(chǎn)生動態(tài)激勵，從而影響衛(wèi)星平臺的穩(wěn)定性[6-7]，造成高分辨率成像質(zhì)量下降，因此對太陽翼的控制必須緩慢、平穩(wěn).電機作為一種運動驅(qū)動設(shè)備，是太陽翼運動控制的關(guān)鍵部件.步進電機每接收到一個電脈沖信號就轉(zhuǎn)動一個步距角，具有開環(huán)控制、精度高、停轉(zhuǎn)可保持力矩、抗干擾能力強等特點[8].本文選用兩相混合式步進電機，步距角為1.8°，帶有起跳功能.

按照設(shè)計要求，機構(gòu)轉(zhuǎn)速(機構(gòu)轉(zhuǎn)速即電機經(jīng)減速器后輸出的速度值)小于1.2(°)/s，在0～0.1(°)/s速度段時差值須小于0.01(°)/s，0.1～1.2(°)/s速度段時誤差須小于10%.此外，步進電機單步運行時，可能會存在失步、過沖、轉(zhuǎn)矩波動大和低頻震蕩嚴重等問題[9].為此，控制器內(nèi)部將采用自主梯形速度規(guī)劃及加速度、啟動制動速度可設(shè)置的方案，便于后期實際負載實驗時獲取最佳速度曲線，降低失步及過沖的風險.且對步進電機進行64細分驅(qū)動，不僅可提高歸零時的位置精度，且可減緩震動，降低運轉(zhuǎn)噪音[10].在控制器外部，則采用100:1減速比的減速器提高輸出扭矩.

2 驅(qū)動控制器的設(shè)計

綜合驅(qū)動控制器主要包括指令單字節(jié)和多字節(jié)收發(fā)、指令解析、零位信號采集、電流采集、內(nèi)部信息采集、AD控制、位置控制、速度控制、步進控制、PWM細分控制和PWM脈沖控制等模塊，其系統(tǒng)框圖如圖1所示.

該驅(qū)動控制器的主要功能是：通過RS-422異步傳輸接口接收上位機發(fā)送的單字節(jié)，通過指令多字節(jié)接收模塊進行指令的拼接，由指令解析模塊解析后獲得完整的遙控指令或遙測指令，發(fā)送到對應(yīng)模塊進行控制；位置控制模塊接收PWM脈沖輸出模塊的步進信號與零位信號采集模塊的零位信號，對內(nèi)部位置計數(shù)器進行更新；速度控制模塊根據(jù)位置控制模塊的零位信號和指令解碼發(fā)送的歸零指令或調(diào)速指令，規(guī)劃速度曲線，并計算每一步的時間間隔；步進控制模塊根據(jù)時間間隔輸出脈沖信號；PWM細分模塊使用查找表獲取兩相繞組的占空比值，并計算高低電平對應(yīng)的周期數(shù)；PWM脈沖控制模塊控制PWM脈沖的輸出；通過驅(qū)動芯片驅(qū)動步進電機運動，經(jīng)減速器后連接至太陽翼，最終實現(xiàn)對太陽翼的控制.

2.1 指令收發(fā)

指令收發(fā)模塊包括單字節(jié)收發(fā)和多字節(jié)收發(fā)，其中單字節(jié)收發(fā)模塊按照RS422串口通信協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)，傳輸速率為115200bps，通信方式為兩收一發(fā).數(shù)據(jù)格式如圖2所示，包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗位和1位終止位.其中起始位為0；校驗位采用奇校驗法得到，當數(shù)據(jù)中1的個數(shù)為奇數(shù)時校驗位為0，1的個數(shù)為偶數(shù)時為1；停止位為1.

接收指令時，從RS422異步傳輸接口接收單字節(jié)數(shù)據(jù)，然后將其組裝為多字節(jié)數(shù)據(jù)包，當校驗碼錯誤或字節(jié)長時間未發(fā)送時重新傳輸，組裝成功后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到指令解析模塊.當多字節(jié)數(shù)據(jù)包輸出有效時，指令解析模塊無條件接受.新指令可以覆蓋未執(zhí)行完成的舊指令.一旦輸出有效，必須連續(xù)傳送一個數(shù)據(jù)包對應(yīng)的完整數(shù)據(jù)域，不可以中斷.

指令發(fā)送過程與之相反，內(nèi)部信息采集模塊根據(jù)指令對相應(yīng)模塊進行遙測信息或調(diào)試信息的采集，經(jīng)校驗數(shù)據(jù)無誤后發(fā)送到RS-422串口，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)格式打包后按位依次輸出.

2.2 指令解析

接收到指令后，指令解析模塊根據(jù)指令格式進行解析，指令格式為8位指令類別碼、4位子指令碼和4位指令對象碼，有參數(shù)時還包括32位參數(shù)數(shù)據(jù)，指令格式及詳細說明如表1所示.

圖1 驅(qū)動控制器系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram of the drive controller

圖2基于RS-422的數(shù)據(jù)傳輸格式Fig.2 Data transmission format based on RS-422

指令主要分為控制指令和調(diào)試指令，其中控制指令包括調(diào)速指令、歸零指令、停止指令和遙測指令.指令解析時，如果是調(diào)速指令，則提取目標速度，更新參數(shù)寄存器并輸出至速度控制模塊，進行速度規(guī)劃并驅(qū)動電機使得速度達到目標值；歸零指令用于太陽翼位置初始化，當接受到歸零指令時，速度控制模塊則持續(xù)監(jiān)測零位信號.當零位信號出現(xiàn)上升脈沖時，表示機構(gòu)接近零位位置，則控制電機減速至制動速度，當零位信號再降為低電平時,表示機構(gòu)到達零位位置，則停轉(zhuǎn)鎖定電機.如果是停止指令，速度控制模塊則減速至制動速度，停轉(zhuǎn)鎖定電機.如果是遙測指令，則對信息收集模塊發(fā)起信息收集請求.指令中參數(shù)為32位數(shù)據(jù)，包括1位符號位，15位整數(shù)位和16位小數(shù)位.

表1 指令格式及詳細說明Tab.1 Instruction format and detailed descriptions

除上述控制指令外，本文還提供了調(diào)試時使用的內(nèi)部調(diào)試指令，包括調(diào)試信息采集指令、軟件復(fù)位指令、加速度參數(shù)設(shè)置指令、機構(gòu)歸零時勻速段速度設(shè)置指令、機構(gòu)起跳制動速度設(shè)置指令、安全電流參數(shù)設(shè)置指令、占空比比例參數(shù)設(shè)置指令和電流開環(huán)設(shè)置指令等，用來調(diào)試加速度、初始累加量、累加量和安全電流等參數(shù).內(nèi)部調(diào)試指令在調(diào)試階段使用，以獲得最優(yōu)參數(shù)，使系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時達到最佳性能.

2.3 速度控制

2.3.1 速度曲線規(guī)劃

速度控制模塊的主要功能是根據(jù)接收到的目標速度、歸零信號或停止信號，對速度進行規(guī)劃，并根據(jù)速度曲線計算每一步的時間間隔.其中，速度規(guī)劃是依據(jù)步進電機的梯形速度曲線來控制的.但由于太陽翼運轉(zhuǎn)過程中會對機構(gòu)執(zhí)行調(diào)速、歸零或停止控制，實際的速度曲線不一定是標準的梯形曲線，可能是梯形曲線的一部分，也有可能是兩個或多個梯形曲線的組合，具體曲線視指令情況而定.圖3列舉了部分可能的曲線.

圖3 速度曲線Fig.3 Speed curve

圖3中給了3種狀況的速度曲線，說明如下：

(1) 0a段：初始是停止狀態(tài)，依次執(zhí)行高速正向調(diào)速和歸零指令.執(zhí)行第一條調(diào)速指令時，由于目標速度大于起跳速度，先直接跳至起跳速度，再經(jīng)正向加速達到目標速度，并保持勻速；當接收到第二條歸零指令時，由于當前速度大于制動速度，進入正向減速狀態(tài)，當接收到預(yù)零位信號時，速度仍大于起跳速度，進入零位間減速狀態(tài)，減速至制動速度后接收到真零位信號，速度跳至0實現(xiàn)歸零.

(2) ab段：初始是停止狀態(tài)，依次執(zhí)行高速反向調(diào)速、低速正向調(diào)速和停止指令.執(zhí)行第一條調(diào)速指令時，由于目標速度大于起跳速度，先直接跳至起跳速度，再經(jīng)反向加速達到目標速度，并保持勻速；當接收到第二條調(diào)速指令時，由于方向發(fā)生了改變，先進行反向減速，減至制動速度時速度跳至0，由于正向目標速度小于起跳速度，直接跳至目標速度并保持勻速；接收到第3條停止指令時，由于當前速度小于制動速度，速度直接跳至0實現(xiàn)停止.

(3) bc段：初始是停止狀態(tài)，依次執(zhí)行低速反轉(zhuǎn)調(diào)速和歸零指令.執(zhí)行第一條調(diào)速指令時，由于目標速度小于起跳速度，直接跳至目標速度并保持勻速；當接收到第二條歸零指令時，由于速度小于起跳速度，直接跳至0，再跳至正向起跳速度，進入正向加速狀態(tài)，當接收到預(yù)零位信號時，速度大于起跳速度，進入零位間減速狀態(tài)，減速至制動速度時保持勻速，直到接收到真零位信號，速度跳至0實現(xiàn)歸零.

以上列舉了3種可能的速度曲線，但由于步進電機可以正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，接收的指令有調(diào)速、歸零和停止，新指令可以覆蓋舊指令等多種原因，速度曲線的可能性有很多，在此不盡詳述.

2.3.2 速度規(guī)劃狀態(tài)機設(shè)計

速度曲線規(guī)劃通過狀態(tài)機來實現(xiàn)，該狀態(tài)機設(shè)計了12種狀態(tài)，分別為正向加速、正向勻速、正向減速、零位間正向加速、起跳速度勻速、零位間正向減速、反向加速、反向勻速、反向減速、鎖定停止、零位鎖定和空閑狀態(tài)，狀態(tài)機及其轉(zhuǎn)換如圖4所示.

由于狀態(tài)機較為復(fù)雜，只給出了設(shè)計的12種狀態(tài)以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換條件省略，雙向箭頭表示狀態(tài)間能相互轉(zhuǎn)換.對于太陽翼的控制主要有調(diào)速、歸零和停止，其中停止指令實質(zhì)是目標速度為0的調(diào)速，下面給出調(diào)速和歸零兩種情況下部分狀態(tài)轉(zhuǎn)換的分析.

1) 空閑狀態(tài)：如果接收到調(diào)速指令，如果目標速度不為0，方向信號為0時進入正向加速，方向為1則進入反向加速；目標速度為0則進入鎖定停止狀態(tài).如果接收到歸零指令，則開始正向加速.

2) 正向加速狀態(tài)：如果接收到反向調(diào)速指令，當前速度不為0時進入正向減速狀態(tài)；當前速度為0且目標轉(zhuǎn)速也為0時進入鎖定停止狀態(tài)；當前速度為0目標速度不為0時進入反向加速狀態(tài).如果接收到正向調(diào)試指令，當前速度大于目標速度時進入正向減速狀態(tài)；當前速度等于目標速度，且當前速度為0時鎖定停止，否則保持勻速；當前速度小于目標速度時正向加速.如果接收到歸零指令，當前速度大于預(yù)零位前勻速速度時進入正向減速狀態(tài)；當前速度等于預(yù)零位前勻速速度，且接收到預(yù)零位信號時進入零位間減速，否則保持勻速；當前速度大于起跳速度，且接收到預(yù)零位信號時進入零位間減速狀態(tài)，否則進入正向加速狀態(tài)；當前速度等于起跳速度，且接收到預(yù)零位信號時進入起跳速度勻速狀態(tài)，接收到真零位信號則進入鎖定零位狀態(tài)，否則進入正向加速狀態(tài)；當前速度小于起跳速度，且接收到預(yù)零位信號時進入零位間正向加速狀態(tài)，接收到真零位信號則進入鎖定零位狀態(tài)，否則進入正向加速狀態(tài).

圖4 速度規(guī)劃狀態(tài)機及其轉(zhuǎn)換Fig.4 Speed planning state machine and conversion

3) 反向加速狀態(tài)：如果接收到正向調(diào)速指令，當前速度不為0時進入反向減速狀態(tài)；當前速度為0且目標轉(zhuǎn)速也為0時則進入鎖定停止狀態(tài)；當前速度為0目標速度不為0則進入正向加速狀態(tài)；如果接收到反向調(diào)速指令，當前速度大于目標速度時進入反向減速狀態(tài)；當前速度等于目標速度，且當前速度為0時鎖定停止，否則保持勻速；當前速度小于目標速度時反向加速.如果接收到歸零指令，當前速度為0時進入正向加速狀態(tài)，否則進入反向減速狀態(tài).

4) 零位間正向加速狀態(tài)：如果接收到反向調(diào)速指令，當前速度不為0時進入正向減速狀態(tài)；當前速度為0且目標轉(zhuǎn)速也為0時則進入鎖定停止狀態(tài)；當前速度為0目標速度不為0則進入反向加速狀態(tài).如果接收到正向調(diào)速指令，當前速度大于目標速度時進入正向減速狀態(tài)；當前速度等于目標速度，且當前速度為0時鎖定停止，否則保持勻速；當前速度小于目標速度時正向加速.如果接收到歸零指令，當前速度大于起跳速度時進入零位間正向減速狀態(tài)；當前速度等于起跳速度，且接收到真零位信號時進入鎖定零位狀態(tài)，否則進入起跳速度勻速狀態(tài)；當前速度小于起跳速度，且接收到真零位信號則進入鎖定零位狀態(tài)，否則進入零位間正向加速狀態(tài).

2.3.3 步進間隔計算

完成速度曲線規(guī)劃后，模塊根據(jù)速度曲線計算每一步的時間間隔.速度曲線可能包含的有勻加速、勻速和勻減速3種情況，勻速時取速度的倒數(shù)便可得到時間間隔，勻加速時根據(jù)運動學(xué)方程

(1)

進行推導(dǎo)，得到時間計算公式

(2)

那么時間間隔的計算方式如下：

(3)

根據(jù)式(3)進行硬件設(shè)計，包括速度、初始速度累加值、速度累加值、速度累加和、速度累加和開方值等寄存器.每次計算時間間隔時，只需計算速度累加值及其開方值，與上一次的計算結(jié)果相減便可得到時間間隔.

2.4 位置控制

位置控制模塊主要接收來自位置采集模塊的零位信號和PWM脈沖輸出模塊的步進信號.其中，零位信號由零位傳感器檢測得到，為標準的TTL電平，一般為低電平，當驅(qū)動機構(gòu)達到零位的上升沿時，轉(zhuǎn)為高電平，即出現(xiàn)一個脈沖上升沿，高電平維持，驅(qū)動機構(gòu)繼續(xù)轉(zhuǎn)過掃描脈沖寬度4.5°后，該信號又從高電平轉(zhuǎn)為低電平，即出現(xiàn)一個脈沖下降沿.零位信號采用三高三低的方式除毛刺，保證信號可靠性.即當零位信號在3個連續(xù)的低電平狀態(tài)后變?yōu)?個連續(xù)的高電平，則判斷為預(yù)零位信號；在3個連續(xù)的高電平狀態(tài)后變?yōu)?個連續(xù)的低電平，則判斷為真零位信號.

位置控制模塊如果接收的是零位信號，則將內(nèi)部位置計數(shù)器清零，如果是步進信號，則根據(jù)方向信號對內(nèi)部位置計數(shù)器進行累加或遞減.同時，該模塊設(shè)置了失步標志寄存器，用來記錄最近一次到零位時的失步情況.具體實現(xiàn)方法為，當接收到零位信號時，如果當前位置計數(shù)器不為0，則判斷為失步.

2.5 PWM細分及時序控制

為了實現(xiàn)太陽翼的高精度控制，需要對步進電機進行細分控制，其實質(zhì)是將步進電機相線圈中的方波電流改為階梯狀正弦波，使得合成磁場以微步的步距角旋轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)子以微步轉(zhuǎn)動.

由于正弦波的對稱性，計算占空比時只需計算前1/4周期，使用時加上相位控制和方向控制，就能得到正向遞增、正向遞減、反向遞增和反向遞減四種情況的占空比變化.本文對四分之一周期的正弦波進行64等分，再采用SPWM等效面積法計算各個等分對應(yīng)的占空比，并將結(jié)果參數(shù)保存到ROM表中供細分驅(qū)動時使用.

PWM脈沖使用LMD18200芯片驅(qū)動，根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊接口時序可知，BRK、PWM及DIR3種輸出信號的脈沖寬度必須大于1 us，而且3個信號的切換不能同時發(fā)生，需要至少間隔1 us.因此，設(shè)置及全局狀態(tài)機對其進行控制，以滿足時序要求.此狀態(tài)機設(shè)計了7種狀態(tài)，IDLE為空閑狀態(tài)，RUN為運行狀態(tài)，BRAKE0為BRK、PWM、DIR信號為低的剎車狀態(tài)，BRAKE1為BRK為高、PWM、DIR信號為高的剎車狀態(tài)，BRAKE2為BRK、PWM為高、DIR信號為低的剎車狀態(tài)，BRAKE3為BRK位高、PWM、DIR信號為低的剎車狀態(tài)，BRAKE4為BRK、PWM、DIR信號為低的剎車狀態(tài).狀態(tài)機及其轉(zhuǎn)換圖見圖5.

圖5 PWM時序控制狀態(tài)機Fig.5 PWM timing control state machine

狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件為：初始狀態(tài)為IDLE，接收到剎車信號則進入到BRAKE0狀態(tài)，否則接收到PWM細分有效信號則進入到RUN狀態(tài)，進行PWM波輸出，否則保持空閑狀態(tài)；RUN狀態(tài)時，接收到剎車信號則進入到BRAKE0狀態(tài)，否則接收到PWM細分有效信號則保持RUN狀態(tài)，進行PWM波輸出；BRAKE狀態(tài)等待時間達到后向下一BRAKE狀態(tài)轉(zhuǎn)換，否則維持原態(tài).

2.6 電流采集

電流環(huán)使用AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換器對步進電機進行電流采集，提供限流保護，當采集到的電流值大于安全電流值時，輸出電流異常信號到PWM脈沖控制模塊，從而控制步進電機進行剎車.根據(jù)AD574的接口協(xié)議進行狀態(tài)機設(shè)計，包括空閑，模擬開關(guān)切換，轉(zhuǎn)換指令0，轉(zhuǎn)換指令1，轉(zhuǎn)換等待，讀指令0，讀指令1，讀指令2和返回數(shù)據(jù)9種狀態(tài)，狀態(tài)機的轉(zhuǎn)換邏輯為：初始狀態(tài)為空閑狀態(tài)IDEL，依次向下一狀態(tài)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換條件類似，當前狀態(tài)周期計數(shù)器滿即可.

2.7 冗余設(shè)計

為了提高本設(shè)計的可靠性，滿足航天設(shè)備的要求，采取多重冗余設(shè)計技術(shù):1) 接收上位機指令時采用兩收技術(shù)，若收到的兩條指令都是正確的則任取一條，若一條指令錯誤一條正確則取正確指令，若兩條都錯誤則要求重發(fā)；2) 指令容錯設(shè)計，包括設(shè)計奇偶校驗位來檢測指令的正確性，以及設(shè)置指令、指令參數(shù)錯誤標志位來檢測指令錯誤；3) 對步進電機設(shè)置雙繞組主備份，正常情況下由主機工作，當主機出現(xiàn)故障無法工作時，備機啟動工作；4) 設(shè)計硬件時采用異步復(fù)位同步釋放，避免了亞穩(wěn)態(tài)；5) 五是設(shè)計了軟件復(fù)位.

3 仿真及實驗結(jié)果分析

3.1 Modelsim仿真及結(jié)果分析

為了對設(shè)計的驅(qū)動控制器進行調(diào)試和測試，編寫系統(tǒng)測試平臺，該平臺模擬RS422接口進行指令的發(fā)送，同時對電流信息進行實時監(jiān)測.該驅(qū)動器可以對兩路太陽翼進行獨立或同步控制，但為了驗證功能的完整性，仿真都是對兩路太陽翼進行同步控制，仿真在Modelsim軟件中進行.

在仿真圖中，speedenable為速度使能信號，當接收到調(diào)速指令時由低電平變?yōu)楦唠娖剑籫o_zero為歸零信號，接收到歸零指令時由低電平變高電平；rotatedir信號為旋轉(zhuǎn)方向寄存器，為0時表示正轉(zhuǎn)，為1時表示反轉(zhuǎn)；zero信號為零位信號，接受到預(yù)零位信號時由低電平變高電平，接受到真零位信號則由高電平變?yōu)榈碗娖?；c_state_reg為當前速度狀態(tài)寄存器，表示當前速度所處的狀態(tài)；currentspeed_reg為當前速度寄存器，保存當前速度值；finish_inst為指令完成標志寄存器，為高電平時表示指令完成.

3.1.1 高速正轉(zhuǎn)的調(diào)速指令

設(shè)置調(diào)速指令1103，對兩個電機同時進行調(diào)速控制，目標速度設(shè)為8100(十六進制數(shù)，大于起跳速度8000).根據(jù)1位符號位、15位整數(shù)位、16位小數(shù)位的數(shù)據(jù)格式將8100換算成實際轉(zhuǎn)速，為0.503 906 25(°)/s，以下給出的速度值均為寄存器中存儲的速度值，并非實際速度值.仿真波形如圖6所示.

由仿真波形可以看出，兩路控制器的速度控制狀態(tài)機初始狀態(tài)均為空閑狀態(tài)，接收到調(diào)速指令后speedenable由低電平變?yōu)楦唠娖?，開始速度規(guī)劃，由于目標速度大于起跳速度，先直接跳至起跳速度8000，再進入正向加速狀態(tài)，加速達到目標速度，并以目標速度8100保持正向勻速狀態(tài)，finish_inst變?yōu)楦唠娖剑瓿烧{(diào)速指令.

3.1.2 低速正轉(zhuǎn)到高速反轉(zhuǎn)的調(diào)速指令

設(shè)置調(diào)速指令1103，對兩個電機同時進行調(diào)速控制，先設(shè)置低于起跳速度的較小目標速度4000正向運轉(zhuǎn)，再改為大于起跳速度的較大目標值8100反向運轉(zhuǎn)，仿真波形圖如圖7所示.

由波形圖可以看出，兩路控制器的速度控制狀態(tài)機初始狀態(tài)均為空閑狀態(tài)，當收到第一條正向調(diào)速指令時，rotatedir為低電平，由于此時目標速度小于起跳速度，直接跳至目標速度4000，以該速度保持正向勻速，finish_inst變?yōu)?，完成第一次調(diào)速指令；再次接收到調(diào)速指令時，由于此時方向發(fā)生了變化，rotatedir信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，且目標速度大于起跳速度，先把正向速度歸零，再起跳至起跳速度，然后進入反向加速狀態(tài)通過加速達到目標速度，并以目標速度8100保持反向勻速狀態(tài)，完成調(diào)速.

圖6 正向高速調(diào)速波形Fig.6 Forward high speed regulation waveform

圖7 低速正轉(zhuǎn)到高速反轉(zhuǎn)調(diào)速波形Fig.7 Forward low speed to reverse highspeed regulation waveform

3.1.3 高速正轉(zhuǎn)后的歸零指令

對兩個電機同時進行控制，設(shè)置調(diào)速指令1103，目標速度為10100，待調(diào)速完成后給出歸零指令3303，仿真波形圖如圖8所示.

由波形圖可以看出，兩路控制器的速度控制狀態(tài)機初始狀態(tài)均為空閑狀態(tài)，當收到調(diào)速指令時，speedenable由低電平變?yōu)楦唠娖?，開始速度規(guī)劃，由于此時目標速度大于起跳速度，先跳至起跳速度8000，再加速至目標速度10100，隨后保持勻速，此時調(diào)速指令完成，finish_inst信號變?yōu)楦唠娖?；當收到歸零指令時，gozero信號變?yōu)?，speedenable信號變?yōu)?，速度進入減速狀態(tài)，當接收到預(yù)零位信號，即zero由0變?yōu)?時，進入零位間減速狀態(tài)，減速至制動速度8000后保持勻速，當接收到真零位信號，即zero由1變0時，速度直接跳至0，進入鎖定零位狀態(tài)，完成歸零.

圖8 高速正轉(zhuǎn)后歸零波形Fig.8 Forward high speed regulation to go zero waveform

3.1.4 低速正轉(zhuǎn)后的停止指令

對兩個電機同時進行控制，設(shè)置調(diào)速指令1103，目標速度4000，等調(diào)速完成后給出停止指令4403，仿真波形如圖9所示.

圖9 低速反轉(zhuǎn)后停止波形Fig.9 Reverse high speed regulation to stop waveform

由波形圖可以看出，兩路控制器的速度控制狀態(tài)機初始狀態(tài)均為空閑狀態(tài)，當收到調(diào)速指令時，speedenable由低電平變?yōu)楦唠娖?，由于此時目標速度小于起跳速度，直接跳至目標速度，并以該速度保持勻速，此時調(diào)速指令完成，finish_inst信號變?yōu)楦唠娖剑唤邮盏酵Ｖ怪噶顣r，此時速度小于制動速度，則速度直接降為0實現(xiàn)停止.

3.2 實驗驗證

為了對本文設(shè)計的綜合驅(qū)動器進行驗證，搭建硬件電路系統(tǒng)，包括FPGA主控板、電流采集電路、電機驅(qū)動板和步進電機等，并將代碼下載至FPGA中進行實驗.圖10為電機驅(qū)動板實物，圖11、12為示波器所測波形圖.

經(jīng)實驗測試，該驅(qū)動控制器可以根據(jù)指令準確的進行調(diào)速、歸零和停止控制.圖11為歸零時信號變化圖，圖中信號分別為步進電機的電流信號和零位信號，預(yù)零位信號來臨時進行減速，電流信號發(fā)生變化，真零位信號到來時實現(xiàn)歸零鎖定，電流信號變?yōu)楹愣ㄖ?圖12為調(diào)速過程中步進電機的兩相電流變化，由于驅(qū)動芯片的特性，波形只有正向部分.從圖中可以看出兩相電流相位相差90°，波形接近標準正向正弦波，說明細分后的PWM其占空比按照正弦波規(guī)律變化.

圖10 步進電機驅(qū)動板Fig.10 The stepping motor drive board

圖11 歸零時的電流及零位信號變化圖Fig.11 The wave of current and zero signalwhen going zero

圖12 調(diào)速過程中步進電機的兩相電流Fig.12 Two phase current of stepping motorduring speed regulation

由于本設(shè)計所采用的32位運算器存在一定計算誤差，為了驗證設(shè)計精度，在工作頻率為22.118 4 MHz，起跳速度為0.5(°)/s，加速度為0.05(°)/s2的條件下，進行調(diào)速測試.低速段對0.01～0.1(°)/s以0.01(°)/s的間隔進行測試，高速段對0.1～1.2(°)/s以0.1(°)/s的間隔進行測試.測試方式為：通過串口發(fā)送調(diào)速指令，待機構(gòu)達到目標速度后，發(fā)送遙測指令獲取當前一個脈沖輸出周期數(shù)，從而計算實際速度和速度誤差.實際速度計算公式為：

(4)

其中，θ為步距角1.8°，d為細分數(shù)64，a為減速比100，n為脈沖輸出周期數(shù)，T為系統(tǒng)周期.低速段的速度相對誤差計算公式為實際速度-目標速度；高速段的速度誤差計算公式為(實際速度-目標速度)/目標速度.

表2 低速段速段速度誤差Tab.2 Relative speed errors of low speed

表3 高速段速度誤差Tab.3 Speed errors of high speed

低速段的速度相對誤差均小于0.006(°)/s，滿足系統(tǒng)0.01(°)/s的設(shè)計需求；高速段的速度誤差在±0.13%之間，優(yōu)于系統(tǒng)10%的設(shè)計需求.

5 結(jié) 論

本文從航天應(yīng)用的角度出發(fā)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種適用于星載太陽翼的綜合驅(qū)動控制器.首先給出了綜合驅(qū)動控制器的總體框架，然后詳細介紹了指令收發(fā)、指令解析、速度控制、位置控制、PWM細分控制、PWM時序要求以及電流采集等模塊，同時根據(jù)航天器件可靠性設(shè)計給出了幾種冗余設(shè)計的具體措施.經(jīng)實驗仿真和實物驗證，結(jié)果證明了該驅(qū)動控制器滿足預(yù)期設(shè)計需求，可以很好的實現(xiàn)太陽翼的運動控制.