汪 瑜, 耿振華

(北京空間機(jī)電研究所，北京100094)

0 引 言

遙感相機(jī)是監(jiān)測地表情況快速而有效的手段，在國土測繪、資源統(tǒng)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。尤其是當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)，其快速捕獲信息能力及時(shí)地為應(yīng)急處理行動(dòng)提供了空間信息數(shù)據(jù)。衛(wèi)星軌道是遙感相機(jī)捕獲地表數(shù)據(jù)能力的首要影響因子，軌道決定著衛(wèi)星的分布位置從而制約著遙感相機(jī)的地面分辨率和成像幅寬。軌道越高，成像幅度越寬，但同時(shí)在相同成像技術(shù)下的地面分辨率下降，所以在高軌道實(shí)現(xiàn)高分辨率的遙感是當(dāng)前十分重要的研究方向。遙感相機(jī)中焦面組件的制冷效果是決定著相機(jī)成像質(zhì)量的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)適應(yīng)于高軌道運(yùn)行的焦面制冷機(jī)控制電路也是目前急需解決的問題。

高軌道目前是大部分通訊、廣播、氣象等功能衛(wèi)星的軌跡，對(duì)于高分辨率遙感相機(jī)來說仍是一個(gè)新領(lǐng)域。高軌道是一個(gè)惡劣的干擾環(huán)境，在這一區(qū)域的衛(wèi)星遭受著高能帶電粒子和等離子體的多重作用，可造成單粒子翻轉(zhuǎn)、總劑量效應(yīng)等事件頻發(fā)，其概率大大超過低軌道環(huán)境。原因是相比于低軌道，高軌道的電離總劑量增大了近50倍，位移損傷注量增大了近2倍[1]。

本文針對(duì)高軌道遙感相機(jī)中焦面制冷機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)一種抗強(qiáng)輻照的H橋式功率驅(qū)動(dòng)電路方案，電路包括磁隔離電路、脈沖恢復(fù)電路與邏輯保護(hù)電路。同時(shí)優(yōu)化基于FPGA 實(shí)現(xiàn)的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，降低了計(jì)算量與資源占用，提升了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的分辨率。

1 驅(qū)動(dòng)隔離方案分析

電路隔離是采用隔離元器件切斷噪聲干擾的途徑，使硬件設(shè)備符合電磁兼容性的要求。在功率驅(qū)動(dòng)電路中的隔離措施保證了二次數(shù)字電與一次功率電的絕緣，防止了大功率開關(guān)信號(hào)對(duì)數(shù)字小信號(hào)電路的干擾，是驅(qū)動(dòng)電路中缺一不可的環(huán)節(jié)。數(shù)字電路隔離常見的方法有光耦隔離、磁隔離、繼電器隔離、光纖隔離等，其中數(shù)字量輸入隔離方式主要采用磁隔離與光耦隔離，下文針對(duì)這兩個(gè)隔離方案進(jìn)行分析與選擇。

1.1 光耦隔離

光電耦合器件(簡稱光耦)是信號(hào)隔離常用的元器件，它通過電光電轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)隔離效果。器件內(nèi)部的LED 將接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，然后通過光電二極管或光電三極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，最后內(nèi)部放大級(jí)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大輸出[1]。由于其隔離效果好、噪聲低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，故較常運(yùn)用于航天器中，具體原理見圖1。

圖1 光耦隔離原理圖

光耦器件存在一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是受輻射環(huán)境中的位移損傷注量影響很大，不同的運(yùn)行軌道存在不同的電離總劑量與位移損傷注量，一般來說只要選型合理，光耦器件適用于低軌道遙感相機(jī)，且在軌應(yīng)用驗(yàn)證情況良好。但是針對(duì)高軌道遙感相機(jī)，位移損傷注入量激增，造成了光耦器件中LED的性能衰減嚴(yán)重，電光轉(zhuǎn)換率降低。

式(1)表示的是LED 發(fā)光功率與輻照通量之間的關(guān)系：

(1)

式中，I0為初始光通量；I為輻照后的光通量；0、分別為輻照前和輻照后LED內(nèi)部少數(shù)載流子的壽命；K*為衰減常數(shù)，與半導(dǎo)體材料和輻射場的互相作用有關(guān)；φ為輻照粒子通量；n與器件損傷機(jī)理有關(guān)。當(dāng)輻照環(huán)境很惡劣時(shí)，0K*φ非常大，說明輻照后少數(shù)載流子壽命縮短，導(dǎo)致I減小。顯然，光耦隔離方法不適用于高軌道遙感相機(jī)。

1.2 磁隔離

磁耦合隔離是指利用電磁感應(yīng)原理，把需傳送的變化信號(hào)加在變壓器的初級(jí)線圈，從而產(chǎn)生變化的磁場。該磁場使次級(jí)線圈的磁通量產(chǎn)生了變化，該變化與激勵(lì)信號(hào)的變化相關(guān)，完成了信號(hào)的傳送。在整個(gè)傳輸過程中，初級(jí)與次級(jí)之間在無電連接的情況下完成了信號(hào)傳奇，起到了隔離效果[2]。

在高軌應(yīng)用中光耦隔離器件會(huì)有顯著的位移損傷而無法滿足需求，磁隔離芯片受外部磁場干擾和磁化的影響很小，其作為功率隔離能夠很好地滿足未來高軌應(yīng)用需求，只是磁隔離的處理相對(duì)光耦隔離增加了一定的系統(tǒng)復(fù)雜度[3]。

通過以上分析，本文選擇磁隔離方式來實(shí)現(xiàn)適用于高軌遙感相機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二次數(shù)字電與一次功率電的隔離功能。并且高軌航天器所選芯片必須滿足抗輻照要求，所選磁隔離器件M-MB2A/K芯片的指標(biāo)如表1所示，滿足要求。

表1 M-MB2A/K芯片抗輻照指標(biāo)

2 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)電路[4]包括磁隔離電路、SPWM信號(hào)恢復(fù)電路、邏輯保護(hù)電路、H橋控制電路四個(gè)部分，具體實(shí)現(xiàn)如下文所示。

圖2 功率驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.1 雙脈沖處理磁隔離電路

功率驅(qū)動(dòng)電路中的磁隔離接口電路選用脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離傳輸。當(dāng)SPWM信號(hào)的載波頻率設(shè)為20 kHz時(shí)，其最窄脈沖寬度為0.5 μs，故要求變壓器的脈沖上升、下降時(shí)間小于0.1 μs，脈沖延遲時(shí)間小于0.02 μs，確保不失真地傳輸脈沖寬度和脈沖相位信息，M-MB2A/K型脈沖變壓器滿足設(shè)計(jì)要求。

該脈沖變壓器傳遞的脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間最長僅0.5 μs，僅與SPWM的最窄脈沖寬度一致。本文設(shè)計(jì)在主控芯片中將SPWM做雙脈沖處理，用兩路窄脈沖表示一路SPWM有效信號(hào)的上升沿與下降沿，如圖3所示。然后將該雙脈沖進(jìn)行磁隔離，最后經(jīng)脈沖恢復(fù)電路和邏輯保護(hù)電路輸出給H橋驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)定雙脈沖處理后寬度為50 ns(時(shí)鐘頻率20 MHz)。這樣的處理保證了脈沖變壓器信號(hào)傳遞的有效性。

圖3 雙脈沖處理磁隔離電路

SPWM+、SPWM-分別為雙脈沖處理后的SPWM表征脈沖信號(hào)，分別表示SPWM的起始與結(jié)束。這兩路信號(hào)M-MB2A/K芯片生成與其相關(guān)的隔離后信號(hào)SPWM_S、SPWM_R，完成了SPWM信號(hào)的電磁隔離。

2.2 脈沖恢復(fù)電路

雙脈沖處理后的SPWM波形在經(jīng)過磁隔離后，需要設(shè)計(jì)脈沖恢復(fù)電路，完成隔離后的波形恢復(fù)，如圖4所示。

圖4 脈沖恢復(fù)電路

SPWM_S、SPWM_R為脈沖變壓器隔離后的信號(hào)，經(jīng)芯片CD40106整形后接入RS觸發(fā)器，其輸出的信號(hào)即為恢復(fù)出的SPWM信號(hào)。H橋驅(qū)動(dòng)電路需要4路SPWM控制信號(hào)，以上分析皆以其中一路的設(shè)計(jì)為示意。

2.3 邏輯保護(hù)電路

為了避免SPWM信號(hào)異常時(shí)出現(xiàn)功率H橋單側(cè)橋臂直通的風(fēng)險(xiǎn)，同一側(cè)橋臂控制信號(hào)兩路SPWM在接入驅(qū)動(dòng)芯片前，選用4-2輸入與門芯片實(shí)現(xiàn)了保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)措施，該邏輯可以使得同側(cè)SPWM信號(hào)不會(huì)同時(shí)為高，再輔以足夠的軟件死區(qū)設(shè)置時(shí)間則可以徹底規(guī)避H橋單側(cè)橋臂直通燒毀的風(fēng)險(xiǎn)，如圖5所示，以左側(cè)橋臂兩路信號(hào)為例，當(dāng)輸入信號(hào)同時(shí)為高電平時(shí)，通過邏輯保護(hù)后全為低電平。

圖5 SPWM信號(hào)邏輯保護(hù)電路

2.4 H橋控制電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖6所示，采用經(jīng)典的H橋式電路，圖中的兩組MOSFET(V1，V4)和(V2,V3)輪流導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電流方向的逆變。4路SPWM波形作為逆變輸出H橋的4個(gè)輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的四象限負(fù)載控制驅(qū)動(dòng)。

圖6 H橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)與電路

3 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)

脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)是一種采用數(shù)字信號(hào)來控制模擬電路的技術(shù)，優(yōu)勢在于控制簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性強(qiáng)，是當(dāng)下控制領(lǐng)域中熱門技術(shù)之一。其中，正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal PWM,SPWM)的使用較為廣泛，多運(yùn)用于直流交流逆變器等。本文基于FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字SPWM信號(hào)生成的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低芯片資源占用率、減少程序計(jì)算量、提升驅(qū)動(dòng)信號(hào)的分辨率。

基于查找表的方式[5]，提出1/4周期正弦波復(fù)用方法來生成無符號(hào)數(shù)字化正弦調(diào)制波；采用加減計(jì)數(shù)器生成無符號(hào)數(shù)字化等腰三角波，其具備更好的奇次諧波分量抑制效果。該方法與傳統(tǒng)SPWM相比，優(yōu)點(diǎn)是它可以在采樣頻率相同的情況下將分辨率提高一倍，無符號(hào)化處理使得程序更容易實(shí)現(xiàn)，而且復(fù)用手段降低了FPGA實(shí)現(xiàn)的計(jì)算量與資源占用率。具體實(shí)現(xiàn)原理如圖7所示。

圖7 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)

通過用數(shù)字比較器，對(duì)數(shù)字化正弦調(diào)制波與數(shù)字化三角載波的幅值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，輸出SPWM波形，傳統(tǒng)SPWM生成方法與優(yōu)化生成方法對(duì)比如圖8所示。

圖8 傳統(tǒng)SPWM與優(yōu)化SPWM對(duì)比

3.1 數(shù)字化三角載波

數(shù)字三角載波是由加減計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的，選擇一定的采樣頻率，利用計(jì)數(shù)器加減生成階梯狀的數(shù)字化三角載波，且最大幅值為正弦波最大占空比，當(dāng)采樣頻率越大時(shí)，數(shù)字三角波與模擬三角波就越接近。設(shè)Ptri為數(shù)字化三角載波的最大幅值，fs為加減計(jì)數(shù)器頻率即采樣頻率，ftri為三角載波頻率，三者之間的關(guān)系:

(2)

如圖9所示，當(dāng)保證Ptri、fs不變的情況下，有符號(hào)數(shù)三角波的n為2，無符號(hào)三角波的n為1,通過式(2)可以看到無符號(hào)化的處理將三角載波的頻率ftri提升一倍，從而提升了SPWM信號(hào)的分辨率。

圖9 有符號(hào)數(shù)字三角波與無符號(hào)數(shù)字三角波

3.2 數(shù)字化正弦調(diào)制波

數(shù)字化正弦調(diào)制波有兩種生成方式，一種是數(shù)字轉(zhuǎn)換模擬正弦調(diào)制信號(hào)，一種是微處理器實(shí)時(shí)生成。前者適合于隨機(jī)頻譜的調(diào)制信號(hào)；后者適用于固定頻率的信號(hào)生成，一般采用查表的實(shí)現(xiàn)方法，但全周期正弦波的查找表所占資源很大，對(duì)于FPGA實(shí)現(xiàn)來說不是一個(gè)好的方案。本文基于1/4周期正弦波復(fù)用法生成全正向調(diào)制信號(hào)，該方法解決了全周期查找表的資源占用問題，而且全正向調(diào)制信號(hào)使得程序便于實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)如下圖10所示。

圖10 優(yōu)化數(shù)字正弦波生成

(1)1/4周期正弦波查找表生成

選定一個(gè)初始相位為0的模擬正弦波，并以固定的采樣頻率對(duì)前1/4個(gè)周期進(jìn)行采樣:

(3)

(2)循環(huán)復(fù)用與占空比處理

對(duì)1/4周期正弦波查找表作無符號(hào)化的循環(huán)復(fù)用，形成全正向正弦調(diào)制波，使用標(biāo)識(shí)位Sinpn_o來表征正弦波的正負(fù)，同時(shí)對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行占空比處理。當(dāng)相位為0-π之間，Sinpn_o為高，表示正向正弦波；Sinpn_o為低，表示負(fù)向正弦波，這是H橋的正反向驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵信號(hào)。具體實(shí)現(xiàn)如圖11所示，volt為驅(qū)動(dòng)電壓量，是占空比的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，最大為載波的幅值。

圖11 循環(huán)復(fù)用與占空比處理

(3)規(guī)格化處理

規(guī)格化處理使數(shù)字化正弦調(diào)制信號(hào)的最大取值和數(shù)字化三角載波的峰值相等，得到占空比處在0～100%的范圍內(nèi):

(4)

式中,sin_out[n]為占空比處理后的全正向正弦波，Ptri為數(shù)字化三角波的峰值，Pvolt為控制量的峰值，i為正弦波采樣點(diǎn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。

3.3 數(shù)字化SPWM生成

輸入給H橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)SPWM1、SPWM2、SPWM3、SPWM4中前兩者為左半橋臂的輸入，后兩者為右半橋臂的輸入，通過正弦波中正負(fù)標(biāo)識(shí)位的判斷來確定電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)[6]。當(dāng)標(biāo)志位為高電平時(shí)，正弦調(diào)制波大于三角載波時(shí)，正向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也就是SPWM1、 SPWM4為高電平，SPWM2、SPWM3為低電平；正弦調(diào)制波小于三角載波時(shí)，反向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也就是SPWM2、SPWM3為高電平，SPWM1、SPWM4為低電平，如式(5)所示。這就完成了H橋式驅(qū)動(dòng)信號(hào)的設(shè)計(jì)，當(dāng)然同一橋臂的上下兩個(gè)輸入信號(hào)必須要在軟件設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間以避免MOSFET管損壞。

(5)

正弦波正半軸，正向驅(qū)動(dòng)電機(jī)；負(fù)半軸，逆向驅(qū)動(dòng)電機(jī)。最終SPWM波形的實(shí)現(xiàn)效果如圖12所示。

圖12 數(shù)字SPWM信號(hào)生成

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 仿真結(jié)果

適應(yīng)磁隔離的設(shè)計(jì)要求，程序需要對(duì)SPWM信號(hào)做窄脈沖處理，本文采用FPGA實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成，時(shí)鐘為20 MHz，生成50 ns的SPWM窄脈沖，仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 窄脈沖仿真結(jié)果

如上圖所示，每一路SPWM都由兩路窄脈沖信號(hào)表示，SPWM1信號(hào)由PWM10標(biāo)識(shí)其上升沿，由PWM1標(biāo)識(shí)其下降沿。并且程序還對(duì)同側(cè)橋臂上下兩個(gè)SPWM信號(hào)做了300 ns的死區(qū)處理，確保不會(huì)發(fā)生橋臂直通現(xiàn)象。

隨著驅(qū)動(dòng)電壓值變化的全正向數(shù)字正弦波仿真圖如圖14所示。

圖14 全正向數(shù)字正弦波

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖15所示)中，為功率驅(qū)動(dòng)電路提供+12 V的電源，實(shí)際工作電流小于30 mA。生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的主控芯片選擇反熔絲FPGA器件A54SX72A，晶振20 MHz，使用VHDL硬件描述語言完成信號(hào)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。電機(jī)選擇應(yīng)用于脈管循環(huán)制冷機(jī)，驅(qū)動(dòng)頻率為50 Hz。

圖15 實(shí)際硬件電路圖

實(shí)驗(yàn)中測試了脈沖恢復(fù)電路的處理效果和H橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如圖16所示，窄脈沖寬度為一個(gè)時(shí)鐘周期(50 ns)，設(shè)計(jì)有300 ns的死區(qū)時(shí)間。

圖16 脈沖恢復(fù)電路實(shí)測效果

圖16中的起始窄脈沖與結(jié)束窄脈沖是高電平脈沖，與圖13的仿真示圖不同，原因是在硬件電路中使用了反相器對(duì)窄脈沖信號(hào)進(jìn)行整形。圖17中的擬合驅(qū)動(dòng)信號(hào)是在H橋的驅(qū)動(dòng)端將波形擬合成一個(gè)正弦波，作為一種測試信號(hào)輸出。

圖17 H橋控制信號(hào)的實(shí)測效果

5 結(jié) 語

本文針對(duì)強(qiáng)輻照的高軌環(huán)境，設(shè)計(jì)了強(qiáng)干擾抑制的H橋式磁隔離功率驅(qū)動(dòng)電路，且設(shè)計(jì)了SPWM信號(hào)優(yōu)化方法，并予以工程實(shí)現(xiàn)。適用于高軌遙感相機(jī)中焦面制冷機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)通過了仿真驗(yàn)證，在實(shí)際硬件電路中也結(jié)合脈管循環(huán)制冷機(jī)得到了結(jié)果反饋，該方案可行。