胡雪剛，王濤，張軍，張得禮，王宏濤

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016; 2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所, 上海 201108)

0 引言

天線指向機(jī)構(gòu)的指向精度是評(píng)判天線能否進(jìn)行高精度掃描與指向的重要性能指標(biāo)[1]，而天線指向機(jī)構(gòu)的精度又取決于其伺服系統(tǒng)的控制精度，因此提高伺服控制器的精度對(duì)于天線高精度掃描和指向非常重要。

目前伺服控制器多采用DSP、MCU作為主控芯片，但是由于天線指向機(jī)構(gòu)的伺服控制器在工作過程中會(huì)面臨空間環(huán)境未知粒子輻射和高低溫環(huán)境等考驗(yàn)，而DSP和MCU對(duì)單粒子輻射比較敏感，難以滿足空間應(yīng)用可靠性需求[2]。因此空間天線指向機(jī)構(gòu)伺服控制器采用FPGA作為主控芯片已成趨勢(shì)。中國(guó)空間技術(shù)研究院的劉鵬、董超等人設(shè)計(jì)了一種基于FPGA和單片機(jī)的星載定位指向控制器，以ACTEL的反熔絲FPGA作為主控芯片來驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)作為輔助芯片來實(shí)現(xiàn)控制器與UART的串口通信[3]。上海宇航系統(tǒng)工程研究所的侯超、鄭悅等人采用單片的ACTEL公司的反熔絲FPGA作為中繼天線驅(qū)動(dòng)控制主控芯片[4]。但是這些都是以國(guó)外的FPGA作為主控芯片，近年來國(guó)際形勢(shì)的變化加大了核心器件國(guó)產(chǎn)化的需求，只有掌握核心科技才能不受制于人。所以，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證以國(guó)產(chǎn)FPGA為主控芯片的天線指向伺服控制器可以加快核心器件國(guó)產(chǎn)化的步伐。

本文設(shè)計(jì)了以國(guó)產(chǎn)FPGA為主控芯片的天線指向機(jī)構(gòu)伺服控制器，采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器采集位置信息。本文提出了一種“細(xì)分控制+插值PID”的步進(jìn)電機(jī)控制算法來提高天線指向機(jī)構(gòu)的指向精度，以保證天線指向機(jī)構(gòu)指向時(shí)的平滑。對(duì)設(shè)計(jì)的伺服控制器進(jìn)行指向試驗(yàn)，驗(yàn)證伺服控制器的指向精度，然后進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)和EMC(電磁兼容性)試驗(yàn)，驗(yàn)證該伺服控制器在空間環(huán)境中的可靠性。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

天線指向機(jī)構(gòu)伺服控制系統(tǒng)解析上位機(jī)發(fā)送的工作命令和參數(shù)等，按照命令中的工作模式和位置給定要求，通過控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來控制天線指向機(jī)構(gòu)，并獲取指向機(jī)構(gòu)的位置、電流信息及其工作狀態(tài)，反饋至上位機(jī)。

天線指向機(jī)構(gòu)伺服控制系統(tǒng)主要包括FPGA與上位機(jī)通信模塊、PROM與FPGA的配置模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及步距角為0.9°的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)等。由于旋轉(zhuǎn)變壓器承受高、低溫，抗沖擊和振動(dòng)的能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光電編碼器[5]，為了提高測(cè)量的精度，采用極對(duì)數(shù)為1∶16的雙通道，粗、精速比為1∶16的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，采集電機(jī)的位置信息[6]。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

其工作過程如下：

1)上位機(jī)通過RS422向FPGA發(fā)送工作模式、位置給定等命令參數(shù)，F(xiàn)PGA通過RS422向上位機(jī)發(fā)送需要遙測(cè)的數(shù)據(jù)，例如位置、電流信息及工作狀態(tài)等；

2)FPGA根據(jù)AD128S102的時(shí)序控制AD128S102的信號(hào)，獲取AD轉(zhuǎn)換后的電流值；

3)FPGA根據(jù)AD2S80的時(shí)序控制AD2S80的信號(hào)，獲取雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器AD轉(zhuǎn)換后的值，并根據(jù)其耦合修正算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確組合[7]；

4)FPGA根據(jù)采集到的位置信息，通過基于插值的PID算法實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，并且依據(jù)步進(jìn)電機(jī)控制原理進(jìn)行控制，生成相應(yīng)的控制信號(hào)，通過電平轉(zhuǎn)換輸出至MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片(IR2110)。

2 伺服控制算法

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)一個(gè)固定的步距角。由于步進(jìn)電機(jī)自身特性的影響，步進(jìn)電機(jī)的性能達(dá)不到實(shí)際的控制要求，故本文采取步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制以提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率[8]。但是由于步進(jìn)電機(jī)存在丟步的現(xiàn)象，導(dǎo)致指向機(jī)構(gòu)的指向精度達(dá)不到要求。因此本文提出了一種基于插值PID的閉環(huán)控制算法來避免電機(jī)因丟步而造成的指向誤差[9]。算法流程圖如圖2所示。

圖2 伺服控制算法結(jié)構(gòu)圖

其控制策略為：首先對(duì)接收到上位機(jī)發(fā)送的給定位置進(jìn)行插值計(jì)算，然后以插值計(jì)算得到的結(jié)果作為位置閉環(huán)PID每個(gè)控制周期的位置給定，進(jìn)行PID位置閉環(huán)控制，得到位置閉環(huán)PID的結(jié)果；以位置閉環(huán)PID的計(jì)算結(jié)果為速度給定，進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，并采用SPWM技術(shù)控制輸出給驅(qū)動(dòng)芯片的PWM信號(hào)。

2.1 插值PID位置控制算法

天線指向機(jī)構(gòu)接收上位機(jī)每2s發(fā)送的位置給定指令，PID位置閉環(huán)無法保證電機(jī)剛好在規(guī)定的時(shí)刻達(dá)到目標(biāo)位置，會(huì)導(dǎo)致在指向過程中會(huì)出現(xiàn)走走停停的現(xiàn)象。如何保證指向機(jī)構(gòu)的指向精度和平滑指向是位置閉環(huán)控制的關(guān)鍵和重點(diǎn)。因此本文提出了一種基于插值的PID的控制算法。

首先對(duì)上位機(jī)每隔一定時(shí)間發(fā)送的給定位置進(jìn)行插值處理，計(jì)算得到每個(gè)控制周期的給定位置，從而保證電機(jī)在指向時(shí)能夠平穩(wěn)光滑地運(yùn)動(dòng)。插值算式如下：

(1)

式中：ref(t)表示插值后計(jì)算得到的第t個(gè)控制周期的給定位置；r(k)表示上位機(jī)第k次給定的位置值；N是一個(gè)常數(shù)，表示每2s插值的次數(shù)。

得到每個(gè)控制周期的位置給定后進(jìn)行位置閉環(huán)控制。在該系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的位置閉環(huán)為典型的絕對(duì)式的PID閉環(huán)控制算法，其離散算式如式(2)所示。

(2)

其中

e(t)=ref(t)-fb(t)

(3)

式中：fb(t)表示第t個(gè)控制周期旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的位置值；e(t)表示第t個(gè)控制周期給定位置與反饋位置的誤差值；u(t)表示位置閉環(huán)PID第t個(gè)控制周期的輸出值，也就是速度給定；Kp、Ki、Kd分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。在得到位置閉環(huán)PID輸出結(jié)果值后，進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制。

2.2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制算法

由于所使用步進(jìn)電機(jī)的特性，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步距角0.9°，即此步進(jìn)電機(jī)的分辨率為0.9°。但是控制精度要求為0.1°，這使得指向機(jī)構(gòu)的控制精度達(dá)不到要求?？赏ㄟ^步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制提高電機(jī)的分辨率，細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)各相電流以階梯狀變化，通過減小各相電流的突變來減小電磁力矩的突變，減小合成磁勢(shì)的角度，從而達(dá)到細(xì)分的目的[10-12]。 為了使步進(jìn)電機(jī)細(xì)分后的每一步轉(zhuǎn)動(dòng)的角度保持一致，必須保證電流合成矢量的大小和旋轉(zhuǎn)角度保持不變，使用電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法，給A、B兩相通入相位差為π/2的正弦電流。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制算法框圖如圖3所示。

圖3 細(xì)分控制算法結(jié)構(gòu)圖

正弦表中按照地址存放著正弦值，根據(jù)位置閉環(huán)PID輸出的結(jié)果u(t)進(jìn)行正弦表地址計(jì)算，讀出該地址存放的數(shù)據(jù)，輸出至比較器的輸入端，三角波計(jì)數(shù)器生成的三角波數(shù)據(jù)輸出至比較器的另一端。將這兩端的數(shù)據(jù)經(jīng)過比較器比較，得到SPWM脈沖信號(hào)。正弦表地址計(jì)算算式如下所示：

(4)

(5)

addr=∑p

(6)

式中：m表示電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需要的脈沖數(shù)；step表示細(xì)分?jǐn)?shù)；α表示步進(jìn)電機(jī)的步距角；p表示每個(gè)控制周期所需要的脈沖數(shù)；f表示控制頻率；addr表示計(jì)算得到的正弦表地址。首先計(jì)算出電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周所需要的脈沖數(shù)，然后通過單位轉(zhuǎn)換計(jì)算得到每個(gè)控制周期所需要的脈沖數(shù)，并將每個(gè)控制周期所需要的脈沖數(shù)累加就得到當(dāng)前控制周期的正弦表地址。得到正弦表地址后讀取正弦表數(shù)值，將正弦表數(shù)值與三角波計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)。

2.3 控制算法仿真

運(yùn)用Simulink對(duì)設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行建模仿真，并與不采取插值只采取PID的控制算法進(jìn)行仿真對(duì)比。仿真結(jié)果如圖4-圖5所示。

圖4 兩相調(diào)制波仿真結(jié)果圖

圖5 系統(tǒng)算法仿真結(jié)果圖

圖4是A、B相SPWM調(diào)制的數(shù)值為相位差為π/2的正弦波，滿足其控制要求。圖5是系統(tǒng)最終仿真結(jié)果，結(jié)果顯示基于插值PID的控制算法相較于傳統(tǒng)的PID控制算法的電機(jī)速度平滑，并且指向精度也相對(duì)提高。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 指向精度試驗(yàn)驗(yàn)證

采用專用測(cè)試臺(tái)對(duì)伺服控制器進(jìn)行指向測(cè)試試驗(yàn)。上位機(jī)在發(fā)送跟蹤指令前先給控制器下發(fā)預(yù)置指令，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至指向指令的初始位置。到達(dá)初始位置后開始進(jìn)行指向跟蹤(測(cè)試臺(tái)每隔2s發(fā)送指向位置)。本試驗(yàn)發(fā)送的指向位置是周期為2 000s、幅值為180°的正弦曲線。最終測(cè)試結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)指向跟蹤精度高，達(dá)到了0.09°的指向精度，并且滿足電機(jī)平穩(wěn)跟蹤的要求。

圖6 電機(jī)指向試驗(yàn)結(jié)果圖

3.2 可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證這個(gè)基于國(guó)產(chǎn)FPGA的伺服控制器在空間環(huán)境中的可靠性，進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)和EMC試驗(yàn)。

熱循環(huán)試驗(yàn)條件按照Q/RJ356-2013《衛(wèi)星型譜單機(jī)試驗(yàn)通用要求》在高低溫交變?cè)囼?yàn)箱中展開，如圖7所示。試驗(yàn)初始溫度為22.3℃，初始相對(duì)濕度為44%RH。試驗(yàn)的溫度范圍為-35℃～70℃，并且第一次和最后一次的高溫端和低溫端的持續(xù)時(shí)間至少為6h，中間循環(huán)的高溫端和低溫端的持續(xù)時(shí)間至少為2h，溫變速率為3～5℃/min。

圖7 熱循環(huán)試驗(yàn)箱內(nèi)狀態(tài)圖

EMC試驗(yàn)條件按照Q/RJ356—2013《衛(wèi)星型譜單機(jī)試驗(yàn)通用要求》在EMC實(shí)驗(yàn)室開展。試驗(yàn)布置如圖8所示。

圖8 EMC試驗(yàn)布置圖

將待測(cè)的伺服控制器放入EMC實(shí)驗(yàn)室中，電源通過LISN(線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò))給被測(cè)的伺服控制器供電，被測(cè)伺服控制器通過電纜與地測(cè)相連來觀察試驗(yàn)時(shí)伺服控制器的主要功能參數(shù)。由于此伺服控制器主要采用二次電源供電，其核心電源為5V，因此對(duì)其展開了CE102(10kHz～10MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射)檢測(cè)項(xiàng)目，測(cè)試結(jié)果如圖9測(cè)試結(jié)果顯示，在260kHz～4.16MHz頻段有超標(biāo)。該超標(biāo)主要是由于該頻段與電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率和產(chǎn)品內(nèi)部晶振頻率的倍頻重合造成，屬于機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制類電子產(chǎn)品固有特性，不影響其性能。

圖9 5V正端CE102檢測(cè)圖

在進(jìn)行伺服控制器熱循環(huán)試驗(yàn)和EMC試驗(yàn)時(shí)，對(duì)該產(chǎn)品的主要功能進(jìn)行測(cè)試。其試驗(yàn)的測(cè)試值如表1所示。

表1 伺服控制器試驗(yàn)前后主要指標(biāo)測(cè)試表

測(cè)試結(jié)果顯示：在進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)和EMC試驗(yàn)時(shí)，伺服控制器的功能參數(shù)基本沒有發(fā)生變化，伺服控制器滿足空間環(huán)境的可靠性要求。

4 結(jié)語

本文針對(duì)天線指向機(jī)構(gòu)，采用國(guó)產(chǎn)FPGA作為指向機(jī)構(gòu)伺服控制器的主控芯片，基于插值的PID算法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了單片F(xiàn)PGA架構(gòu)的天線指向機(jī)構(gòu)伺服控制器，并對(duì)此伺服控制器進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證和EMC試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，此基于插值PID算法、細(xì)分的SPWM技術(shù)的伺服控制器能夠精確地實(shí)現(xiàn)指向，并且在進(jìn)行熱循環(huán)和EMC試驗(yàn)時(shí)，伺服控制器的各項(xiàng)指標(biāo)和功能均符合要求。因此，該伺服控制器滿足天線指向機(jī)構(gòu)的指向精度要求和空間環(huán)境的可靠性要求。