本發(fā)明涉及衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的慣性執(zhí)行機構領域，特別是一種基于SOC技術的衛(wèi)星用直流無刷電機控制器。

背景技術：

NASA在制訂未來空間飛行器發(fā)展規(guī)劃時，將微小型化設計技術列為其首要關鍵技術，中國也將微小型化設計技術作為未來優(yōu)先發(fā)展的技術，航天器控制系統(tǒng)的高功能密度集成是航天器微小型化的核心和基礎。

采用SOC技術，一方面能夠顯著提高星載或彈載電子系統(tǒng)的功能密度，從而降低系統(tǒng)質(zhì)量、體積與功耗，滿足對重量、功耗等指標敏感的新型飛行器需求；另一方面，在SOC設計中可以充分考慮系統(tǒng)防護性能與自恢復性能，有利于提高系統(tǒng)可靠性，因此SOC技術成為解決此關鍵技術的首選之一；慣性執(zhí)行機構以往均選用進口處理器，采用SOC技術可以完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，因此有著比較好的應用前景，在選用SOC芯片應用過程中重點需要解決的是直流無刷電機控制器設計與實現(xiàn)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種基于SOC技術的衛(wèi)星用直流無刷電機控制器，解決了現(xiàn)有宇航用SOC芯片中無集成的直流無刷控制器的問題，從而提高執(zhí)行機構控制器的集成度和可靠性。

本發(fā)明的技術解決方案是：一種基于SOC技術的衛(wèi)星用直流無刷電機控制器，包括光電編碼器信號處理模塊、PWM脈寬調(diào)制模塊、直流無刷電機換相控制模塊、速度采樣模塊，其中

光電編碼器信號處理模塊，獲取光電編碼器的a相信號、b相信號后進行可靠性判斷，如果光電編碼器的a相信號、b相信號可靠，則根據(jù)光電編碼器的a相信號、b相信號得到電機轉(zhuǎn)向，同時在光電編碼器的a相信號或者b相信號的電平發(fā)生變化時，令倍頻脈沖為高電平，在光電編碼器的a相信號或者b相信號的電平未發(fā)生變化時，令倍頻脈沖為低電平，進而得到倍頻脈沖并送至速度采樣模塊；如果光電編碼器的a相信號、b相信號不可靠，則不進行操作；所述的光電編碼器對電機轉(zhuǎn)速進行測量，產(chǎn)生代表電機轉(zhuǎn)速的光電編碼器信號a相信號、b相信號；

PWM脈寬調(diào)制模塊，產(chǎn)生PWM調(diào)制波并送至直流無刷電機換相控制模塊；

直流無刷電機換相控制模塊，獲取電機的霍爾信號、轉(zhuǎn)向控制信號后，生成得到電機換向邏輯信號；將PWM調(diào)制波、電機換向邏輯信號相與后得到電機驅(qū)動信號并送至電機驅(qū)動電路，完成電機驅(qū)動；所述的轉(zhuǎn)向控制信號為外部根據(jù)當前電機轉(zhuǎn)向得到的控制電機轉(zhuǎn)向的信號；

速度采樣模塊，接收倍頻脈沖，根據(jù)倍頻脈沖得到電機轉(zhuǎn)速并送至外部。

所述的光電編碼器信號處理模塊對光電編碼器的a相信號、b相信號進行可靠性判斷的方法包括如下步驟：

(1)連續(xù)采集光電編碼器a相信號、b相信號，得到多個光電編碼器a相信號采樣值、b相信號采樣值；

(2)如果步驟(1)得到的多個光電編碼器a相信號采樣值均相等且b相信號采樣值均相等，則當前光電編碼器a相信號、b相信號可靠，否則當前光電編碼器a相信號、b相信號不可靠。

所述的光電編碼器信號處理模塊根據(jù)光電編碼器的a相信號、b相信號得到電機轉(zhuǎn)向的方法包括如下步驟：

(1)在采樣時鐘的上升沿采集光電編碼器信號a相信號、b相信號，并記為state；其中，當光電編碼器信號a相信號或者b相信號為高電平時，記為1，當光電編碼器信號a相信號或者b相信號為低電平時，記為0；

(2)將采樣時鐘的上升沿之前且最靠近當前上升沿時刻的光電編碼器信號a相信號、b相信號狀態(tài)記為prestate；

(3)如果光電編碼器信號a相信號、b相信號的狀態(tài)轉(zhuǎn)換prestate->state為01->00、00->10、10->11、11->01，則電機為正向轉(zhuǎn)動，如果光電編碼器信號a相信號、b相信號的狀態(tài)轉(zhuǎn)換prestate->state為10->00、00->01、01->11、11->10，則電機為逆向轉(zhuǎn)動。

所述的PWM脈寬調(diào)制模塊產(chǎn)生PWM調(diào)制波的方法包括如下步驟：

(1)產(chǎn)生在循環(huán)周期T內(nèi)從0開始加1直至最大值H、再由最大值H減1直至為0的三角波；所述的T、H為正數(shù)；

(2)當步驟(1)產(chǎn)生的三角波數(shù)值大于判斷閾值H1時，將PWM調(diào)制波pwm_i置為低電平，當步驟(1)產(chǎn)生的三角波數(shù)值不大于判斷閾值H1時，PWM調(diào)制波置為高電平，進而得到PWM調(diào)制波。

所述的光電編碼器信號處理模塊、PWM脈寬調(diào)制模塊、直流無刷電機換相控制模塊、速度采樣模塊通過APB總線互聯(lián)。

所述的步驟(1)中連續(xù)采集光電編碼器a相信號、b相信號的頻率大于光電編碼器工作頻率。

所述的光電編碼器信號處理模塊、PWM脈寬調(diào)制模塊、直流無刷電機換相控制模塊、速度采樣模塊通過SOC技術實現(xiàn)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明控制器通過采用SOC技術，與現(xiàn)有技術相比具有集成程度高、體積和功耗小、空間抗輻照和抗單粒子能力強的優(yōu)點；

(2)本發(fā)明控制器通過集成在SOC芯片中，可以有效滿足衛(wèi)星用執(zhí)行機構的控制需求，且能大大降低執(zhí)行機構控制器的尺寸、質(zhì)量和功耗，適應航天器微小型化的需求；

(3)本發(fā)明通過提出一種基于SOC技術的直流無刷電機控制器，解決了現(xiàn)有宇航用芯片中沒有集成專用直流無刷電機控制器的問題，具有集成度高、可靠性高的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為一種基于衛(wèi)星SOC芯片的直流無刷電機控制器功能結構圖；

圖2為本發(fā)明控制器中光電編碼器a相信號、b相信號及取沿運算圖；

圖3為本發(fā)明控制器中的PWM調(diào)制示意圖；

圖4為直流無刷電機等效控制電路圖；

圖5為死區(qū)補償時序圖。

具體實施方式

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于衛(wèi)星SOC芯片的直流無刷電機控制器，包括光電編碼器信號處理模塊、PWM脈寬調(diào)制模塊、直流無刷電機換相控制模塊、速度采樣模塊，其中，

光電編碼器信號處理模塊，對光電編碼器的兩相輸入a相信號、b相信號進行濾波(即對光電編碼器信號中的a相信號、b相信號進行可靠性判斷)，然后進行電機轉(zhuǎn)向提取，生成倍頻脈沖cp，并將計算得到的倍頻脈沖cp送至速度采樣模塊。

PWM脈寬調(diào)制模塊，產(chǎn)生用于電機調(diào)速的PWM調(diào)制波pwm_i。

直流無刷電機換相控制模塊，由外部電機的霍爾信號hall[2:0]和轉(zhuǎn)向控制信號(可由用戶寫寄存器實現(xiàn))生成六路電機換向邏輯信號sig_i[5:0]，通過死區(qū)發(fā)生器得到sig_i[5:0]，和PWM調(diào)制波pwm_i進行相與，得到六路電機驅(qū)動信號pwm_o[5:0]并送至外部電機驅(qū)動電路，完成電機驅(qū)動。

速度采樣模塊，用于電機實時轉(zhuǎn)速的采集；接收光電編碼器信號處理模塊的倍頻脈沖，采樣讀取倍頻脈沖信號值，求取當前倍頻脈沖信號值和上次倍頻脈沖信號值之差，進而計算得到當前電機轉(zhuǎn)速，并將電機轉(zhuǎn)速存儲于相應寄存器中，供用戶讀取。

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的描述，如圖1所示為一種基于衛(wèi)星SOC芯片的直流無刷電機控制器功能結構圖，本發(fā)明的總體架構由四大模塊組成，每個模塊通過AMBA總線體系中的APB片內(nèi)互聯(lián)總線互聯(lián)，可通過修改寄存器的方式對四個功能模塊的參數(shù)進行修改。光電編碼器a相信號、b相信號經(jīng)光電編碼器信號處理模塊濾波，并根據(jù)濾波后的光電編碼器a相信號、光電編碼器b相信號生成得到倍頻脈沖，輸出倍頻脈沖cp供速度采樣模塊計算電機的轉(zhuǎn)速。

PWM脈寬調(diào)制模塊產(chǎn)生用于調(diào)速的PWM控制信號pwm_i供直流無刷電機換相控制模塊使用。

如圖2所示為本發(fā)明控制器中光電編碼器a相信號、b相信號及取沿運算圖，本發(fā)明控制器中光電編碼器信號處理模塊的濾波過程為進行采樣比對，即光電編碼器信號處理模塊對光電編碼器信號a相信號、b相信號進行連續(xù)四次采樣(本發(fā)明方法中的采樣時鐘頻率(芯片系統(tǒng)時鐘)遠大于光電編碼器頻率)并判斷，若連續(xù)四次采樣值均相等，則可認為光電編碼器信號為可靠信號，能夠進行轉(zhuǎn)向信號提取及生成倍頻脈沖，否則認為該信號值為干擾信號。當該光電編碼器信號為可靠信號時，在采樣時鐘的上升沿對a相信號、b相信號狀態(tài)進行檢測，進而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)向信號提取并生成倍頻脈沖cp。假設a相信號、b相信號在時鐘上升沿到來前狀態(tài)為prestate(a相信號、b相信號的高電平表示1、低電平表示0)，采樣時鐘的上升沿為state，則由a相信號、b相信號組成的8種狀態(tài)轉(zhuǎn)換(prestate->state)包括01->00、00->10、10->11、11->01、10->00、00->01、01->11、11->10，根據(jù)上述8種狀態(tài)轉(zhuǎn)換可以判斷當前電機的轉(zhuǎn)向，當前四種狀態(tài)變化時，電機的轉(zhuǎn)向為正，用“1”表示，并將電機轉(zhuǎn)向信號存儲于轉(zhuǎn)向檢測寄存器中，當后四種狀態(tài)變化時，電機的轉(zhuǎn)向為負，用“0”表示，并將電機轉(zhuǎn)向信號存儲于轉(zhuǎn)向檢測寄存器中。本發(fā)明方法在每個a相信號、b相信號狀態(tài)轉(zhuǎn)換時刻產(chǎn)生cp脈沖，即發(fā)生上述8種a相信號、b相信號狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，cp脈沖為高電平，其余時刻為低電平，進而得到cp脈沖，存儲于寄存器中。

如圖3所示為本發(fā)明控制器中的PWM調(diào)制示意圖，PWM調(diào)制采用加減計數(shù)比較法實現(xiàn)。加減循環(huán)計數(shù)器從零開始加1計數(shù)直到最大值H，然后再減1計數(shù)直到零，循環(huán)產(chǎn)生周期為T的三角波。設定一個數(shù)值H1，與循環(huán)計數(shù)器的計數(shù)值比較，當循環(huán)計數(shù)器的計數(shù)值大于H1時OUT1輸出低電平，計數(shù)值小于H1時OUT1輸出高電平，反復循環(huán)，OUT1輸出與H1相關的PWM調(diào)制信號。通過寄存器設定最大值H，可以改變調(diào)制載波的周期，一般調(diào)制載波的周期為20kHz～30kHz；通過寄存器設定加減計數(shù)器的比較值H1，產(chǎn)生占空比為H1/H的PWM調(diào)制波pwm_i，最后將PWM調(diào)制波pwm_i、由外部電機的霍爾信號hall[2:0]、轉(zhuǎn)向控制信號(可由用戶寫寄存器實現(xiàn))和死區(qū)發(fā)生器生成的六路電機換向邏輯信號sig_o[5:0]相與，得到六路電機驅(qū)動信號pwm_o[5:0]并送至外部電機驅(qū)動電路，完成電機驅(qū)動控制。

如圖4所示為直流無刷電機等效控制電路圖，直流無刷電機的轉(zhuǎn)動是由六路電機驅(qū)動信號pwm_o[5:0]驅(qū)動三相全橋逆變電路實現(xiàn)的，使電流依次流經(jīng)電機線圈繞組產(chǎn)生順時針(逆時針)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子磁鐵發(fā)生電磁效應，驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)實現(xiàn)的。

MOS管開通與關閉響應時間存在差異，一般是開通時間小于關閉時間，即MOS管從截止到導通的時間小于晶體管從導通到截止的時間，為了避免上臂(或下臂)MOS管還沒完全截止，下臂(或上臂)MOS管就已導通引起上下臂MOS管發(fā)生短路，燒壞MOS管的現(xiàn)象，必須對換相控制信號的上升沿進行必要的死區(qū)時間延遲，以協(xié)調(diào)下降沿的實現(xiàn)時間。

如圖5所示為死區(qū)補償時序圖，為一路死區(qū)補償信號對應的時序圖，死區(qū)發(fā)生器的設計采用飽和計數(shù)器的方式，類似于電容的充放電過程，其中UP_IN為邏輯換相模塊輸出的6路換相信號的其中一路信號，T為延遲計數(shù)器，設定最大值為deadtime值，δ為deadtime值(可通過寄存器進行設置)，UP為換相信號UP_IN經(jīng)過死區(qū)補償后的輸出。由于換相控制信號頻率遠低于PWM調(diào)制信號頻率，本設計對電機的調(diào)速通過把PWM控制信號pwm_i與進行死區(qū)時間延遲后的換相邏輯信號sig_o[5:0]相與，調(diào)節(jié)PWM信號占空比，以調(diào)節(jié)電機的定子電樞電壓來實現(xiàn)。

速度采樣模塊用于實時采樣電機轉(zhuǎn)速值，設計方法是每隔100ms讀取一次倍頻脈沖cp，求取當前倍頻脈沖信號值和上一次倍頻脈沖信號值之差delta_cp，則當前電機轉(zhuǎn)速為150*delta_cp/M，M為光碼盤信號的刻度，電機轉(zhuǎn)速存儲于相應寄存器中，可由用戶讀取。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領域技術人員的公知技術。