佟亞珍，桑尚銘，馮榮尉

(北京東方計(jì)量測試研究所，北京100094)

0 引 言

步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字脈沖量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或線位移的特殊電機(jī)，具有反應(yīng)靈敏、精確步進(jìn)、無累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)[1]，是航天器控制系統(tǒng)的核心組成部件[2]，可以通過外部控制電路實(shí)現(xiàn)對航天器太陽帆板的驅(qū)動與控制，在航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。

為了實(shí)現(xiàn)對航天器太陽帆板的精確控制，需要完成對所用步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)的全面測試。目前，商業(yè)航天及重點(diǎn)型號發(fā)射任務(wù)呈逐年增多的態(tài)勢，所應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)的種類隨之增多，對步進(jìn)電機(jī)及電機(jī)測試系統(tǒng)的需求也越來越多[4]，為了進(jìn)一步提升產(chǎn)能，滿足用戶及市場的需求，對電機(jī)測試系統(tǒng)提出了新的要求，傳統(tǒng)的一類電機(jī)對應(yīng)一套測試系統(tǒng)的方式已經(jīng)無法滿足多線并行的測試現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)不同種類電機(jī)的通用化測試勢在必行。因此，本文研制了一款基于STM32的通用化電機(jī)角度測試系統(tǒng)，能夠滿足目前絕大部分電機(jī)的角度測試需求。同時(shí)進(jìn)行了步進(jìn)電機(jī)的性能測試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的通用化電機(jī)角度測試系統(tǒng)測量準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便，為航天器太陽帆板驅(qū)動機(jī)構(gòu)的高性能步進(jìn)電機(jī)測試提供了完整的解決方案。

1 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通用化電機(jī)角度測試系統(tǒng)選用STM32作為主控芯片，系統(tǒng)組成如圖1所示。測試系統(tǒng)由嵌入式計(jì)算機(jī)、微控制器、脈沖發(fā)生電路、角度測量電路等組成。微控制器STM32從嵌入式計(jì)算機(jī)接收驅(qū)動脈沖參數(shù)，通過總線將參數(shù)傳給脈沖發(fā)生電路，然后產(chǎn)生幅值、頻率可調(diào)的脈沖電流控制驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。信號采集電路將電流、電壓等進(jìn)行采集并提供給微控制器以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的測量。微控制器通過控制角度測量電路可以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)角度的測量，其中零位角度測量尤為關(guān)鍵。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

綜合目前主流的電機(jī)產(chǎn)品，常見的角度測量方案主要有零位傳感器、電位器、霍爾傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器四種方案[5]，因此本次設(shè)計(jì)的通用化電機(jī)角度測試系統(tǒng)需要兼容以上四類角度測量方案，設(shè)計(jì)不同的測量電路，以滿足通用化測試需求。

1.1 零位傳感器測量電路

零位傳感器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。發(fā)光二極管和光敏三極管之間由不透光的物體遮擋，只有當(dāng)步進(jìn)電機(jī)通過零點(diǎn)位置時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光線透過，使光敏三極管導(dǎo)通，測試系統(tǒng)可以測得零位信號，通過外部測角設(shè)備測得的歸零精度為0.05°。其中發(fā)光二極管需要恒流源電路進(jìn)行驅(qū)動，通過光敏三極管集電極電流大小判斷是否導(dǎo)通，因此針對本項(xiàng)功能，測試系統(tǒng)需提供用于恒流源輸出的驅(qū)動電路以及三極管測量電路。

圖2 零位傳感器電流源電路

零位傳感器恒流源驅(qū)動電路如圖2所示。

Iout=Vref/Rs

(1)

式中，Iout為恒流源電路的輸出電流(單位A)；Vref為DA提供的基準(zhǔn)電壓源(單位V)；Rs為取樣電阻(單位Ω)。

當(dāng)測試系統(tǒng)通過嵌入式計(jì)算機(jī)內(nèi)部軟件設(shè)置輸出電流值時(shí)，電路通過改變模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vref來調(diào)整輸出電流；當(dāng)測試系統(tǒng)通過旋鈕任意調(diào)節(jié)電流時(shí)，電路中的取樣電阻Rs隨著旋鈕變化，輸出電流也隨之連續(xù)變化。

零位傳感器需要對發(fā)光二極管電流、正向?qū)▔航?、光敏三極管集射電壓、集電極電流等參數(shù)進(jìn)行測量，其測量電路如圖3所示，發(fā)光二極管兩端電路分別測量陽極電位U1(單位V)和陰極電位U2(單位V)，則可得發(fā)光二極管正向?qū)▔航禐閁1-U2，發(fā)光二極管電流ID為U2/R1(單位A)；光敏三極管兩端電路分別測量集電極電壓U3(單位V)和發(fā)射極電壓U4(單位V)，則可得光敏三極管集射電壓為U3-U4，光敏三極管集電極電流IC為U4/R2(單位A)。

圖3 零位傳感器測量電路

1.2 電位器測量電路

電位器作為測角部件時(shí)，步進(jìn)電機(jī)角度在-100°～+100°之間轉(zhuǎn)動時(shí)，對應(yīng)位置電位器的阻值為0 Ω～5 kΩ。在電位器兩端加入基準(zhǔn)電壓5 V，電位器變化端電壓為0 V～5 V，電氣零位處于電位器的中值電壓2.5 V位置。測量電路可以通過測量電位器輸出端的電壓，根據(jù)電壓與角度的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算得到角度[6]。電位器測量電路如圖4所示。

圖4 電位器測量電路

(2)

式中，Rx為電位器電阻(單位Ω)；R為保護(hù)電阻(單位Ω)；U為基準(zhǔn)電壓(單位V)；Ux為測得電壓(單位V)。

硬件實(shí)現(xiàn)電路如下圖所示。

圖5 電位器測量電路

上圖中電壓基準(zhǔn)芯片的輸出電壓(5 V)BVR+5 V接電位器正端，運(yùn)算放大器的輸入端接電位器抽頭端，電位器負(fù)端與測量電路地連接，電位器輸出電壓經(jīng)過放大器跟隨后進(jìn)入AD7894。按圖5所示電路測得電位器電阻值后，根據(jù)角度與電位器阻值之間的對應(yīng)關(guān)系可以計(jì)算得出步進(jìn)電機(jī)的角度值。AD7894是14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，則測角精度為0.03°，測角精度略低于旋轉(zhuǎn)變壓器。

1.3 霍爾傳感器測量電路

霍爾傳感器是集成器件，可以將變化的磁場信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號輸出。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動到電氣零位時(shí)，霍爾傳感器輸出電平由高到低，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)出電氣零位時(shí)，輸出電平由低轉(zhuǎn)高。

圖6 霍爾傳感器測量電路

霍爾傳感器測量電路如圖6所示，霍爾傳感器產(chǎn)生的電壓信號和DAC產(chǎn)生的電壓基準(zhǔn)通過比較器產(chǎn)生高低電平的方波，然后通過計(jì)時(shí)電路對比較器產(chǎn)生的低電平計(jì)時(shí)，即為零位寬度。其中DAC輸出的基準(zhǔn)電壓略高于霍爾傳感器輸出的低電平。因此，當(dāng)霍爾傳感器輸出電平為低時(shí)，此時(shí)比較器輸出為高電平，計(jì)時(shí)電路開始工作，當(dāng)霍爾傳感器輸出電平信號為高時(shí)，此時(shí)比較器輸出高電平，計(jì)時(shí)電路停止工作?；魻杺鞲衅髦荒苡糜跍y量步進(jìn)電機(jī)的零位，通過外部測角設(shè)備測得的歸零精度為0.05°。

計(jì)時(shí)電路采用FPGA實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA外部使用晶振作為基準(zhǔn)時(shí)鐘信號，通過內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)時(shí)器。理論上霍爾傳感器輸出的低電平應(yīng)為地電平，實(shí)際上由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生的干擾及測試線纜擾動，霍爾傳感器輸出的電平往往大于地電平，約為0.2 mV左右，因此采用DAC輸出基準(zhǔn)電壓的方式，設(shè)置DAC輸出電壓0.5 mV，可以有效避免計(jì)時(shí)電路的誤觸發(fā)。

1.4 旋轉(zhuǎn)變壓器測量電路

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種高精度電磁感應(yīng)式傳感器，常用于測量步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置。旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成，其中定子繞組也可稱為激磁繞組，作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓，轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓，所以也常稱為輸出繞組[7]。

因此測試系統(tǒng)需要對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出激磁信號，對常見在軌航天器常用電機(jī)進(jìn)行分析，激磁信號電壓范圍為3.5 V～5 V，頻率范圍為2 kHz～5 kHz，輸入電流范圍在100 mA以內(nèi)。設(shè)計(jì)如下激磁電路產(chǎn)生方案，滿足旋轉(zhuǎn)變壓器對激磁電壓和激磁頻率的需求。

圖7 旋轉(zhuǎn)變壓器激磁電路

激磁設(shè)置電路是由STM32單片機(jī)、AD9851和運(yùn)算放大器組成的電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。首先STM32單片機(jī)從嵌入式計(jì)算機(jī)接收激磁電壓和激磁頻率等參數(shù)，通過STM32編程控制AD9851產(chǎn)生頻率和電壓可調(diào)節(jié)的正弦波信號，然后通過功率運(yùn)放BUF634實(shí)現(xiàn)功率輸出。

旋轉(zhuǎn)變壓器收到激磁信號后產(chǎn)生的正余弦信號通過旋變解碼芯片AD2S80A進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)電路如下圖所示。AD2S80A是一種特殊的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度，則旋轉(zhuǎn)變壓器的測角精度為0.0027°，測角精度較高，是最常用的測角方案。

圖8 旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)電路原理圖

1.5 脈沖發(fā)生電路

脈沖發(fā)生電路可以同時(shí)輸出步進(jìn)電機(jī)所需的四路脈沖信號，包括兩路方波脈沖、正余弦脈沖或梯形脈沖。脈沖發(fā)生電路如圖9所示，首先STM32單片機(jī)從嵌入式計(jì)算機(jī)接收驅(qū)動脈沖幅值、細(xì)分?jǐn)?shù)和波形等參數(shù)，通過總線將驅(qū)動脈沖參數(shù)傳給FPGA，然后FPGA在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的定時(shí)器作用下依次輸出設(shè)定的值，方波脈沖直接輸出，正余弦脈沖或梯形脈沖經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換成模擬量后再輸出。正余弦脈沖和梯形脈沖可以在配置文件中進(jìn)行設(shè)置。每一路脈沖對應(yīng)著一個(gè)數(shù)組，當(dāng)數(shù)組中的數(shù)據(jù)按照索引從小取到大時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)數(shù)組中的數(shù)據(jù)按照索引從大取到小時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。此外FPGA內(nèi)部設(shè)置獨(dú)立的計(jì)數(shù)器和定時(shí)器用來測量電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率和驅(qū)動步數(shù)。

圖9 脈沖發(fā)生電路

通用化電機(jī)角度測試系統(tǒng)的電壓測量電路采用電阻分壓的方式進(jìn)行測量；電流測量電路采用電流傳感器的方式進(jìn)行測量；數(shù)據(jù)采集電路以模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7894為核心，通過切換多個(gè)繼電器和模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)多路模擬信號的采集，此外，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)字控制信號與微控制器之間經(jīng)過了磁耦隔離電路，這樣可以減小數(shù)字電路對數(shù)據(jù)采集電路的干擾，在電路其它部分也采用了磁耦隔離電路，減小數(shù)字電路對模擬電路的干擾，提高驅(qū)動設(shè)備的測控準(zhǔn)確度；主備份切換電路采用繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的主備份切換和測角裝置的主備份切換。

2 軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)軟件的接口關(guān)系如下圖所示，其中用戶接口層是用戶操作的窗口，對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置并與硬件電路進(jìn)行信息交互；處理功能層是系統(tǒng)軟件的核心層，包含九個(gè)功能模塊，對用戶接口層產(chǎn)生的指令進(jìn)行響應(yīng)，生成相應(yīng)的測量或控制信息，通過硬件驅(qū)動接口對測試系統(tǒng)硬件進(jìn)行相應(yīng)的操作，同時(shí)將測試系統(tǒng)的狀態(tài)返回給用戶接口層，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行頻率、實(shí)際運(yùn)行步數(shù)、角度值、限位角度、電機(jī)電流、電機(jī)電壓、主備份控制狀態(tài)等的采集顯示功能，電機(jī)的運(yùn)行模式、運(yùn)行步數(shù)、運(yùn)行速度、限位角度、電機(jī)電流等的設(shè)置功能，遠(yuǎn)程監(jiān)控以及數(shù)據(jù)庫保存功能。

測試系統(tǒng)軟件使用這種三層次結(jié)構(gòu)，大大提高了軟件功能模塊的復(fù)用性，減少了代碼的數(shù)量，提高了代碼的使用效率。

圖10 測控軟件接口關(guān)系

3 測試及驗(yàn)證

使用通用化電機(jī)角度測試系統(tǒng)分別與帶有零位傳感器、電位器、霍爾傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器的步進(jìn)電機(jī)連接進(jìn)行測試，測試軟件界面圖如圖11所示。使用示波器測量脈沖發(fā)生電路輸出的波形圖如圖12所示，其中(a)為幅值2.5 V/64細(xì)分的正弦波，(b)為幅值4.3 V/64細(xì)分的正弦波，(c)為幅值2.5 V/8細(xì)分的正弦波，(d)為幅值2.5 V/64細(xì)分的梯形波。

經(jīng)過測試驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)可以設(shè)置輸出不同幅值、不同細(xì)分的正余弦或梯形的脈沖電流以驅(qū)動不同類型的步進(jìn)電機(jī)，可以對帶有零位傳感器、電位器、霍爾傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行測角，具有測量準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便的特點(diǎn)。

圖11 測試軟件界面圖

圖12 脈沖發(fā)生電路輸出的波形圖

4 結(jié) 論

本文基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)的通用化電機(jī)角度測試系統(tǒng)能夠滿足零位傳感器、電位器、霍爾傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器四種角度測量方案，能夠根據(jù)需求設(shè)置輸出正余弦脈沖或梯形波脈沖以驅(qū)動各類步進(jìn)電機(jī)，滿足目前絕大部分步進(jìn)電機(jī)的角度測試需求。通過測試試驗(yàn)表明本測試系統(tǒng)測量準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便，為航天器太陽帆板驅(qū)動機(jī)構(gòu)的高性能步進(jìn)電機(jī)測試提供了完整的解決方案。