本發(fā)明涉及空間技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種星上低功耗高精度二維指向機(jī)械驅(qū)動(dòng)器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)役飛行衛(wèi)星太陽(yáng)陣驅(qū)動(dòng)器均采用傳統(tǒng)的恒流驅(qū)動(dòng)方式，該方式通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)大功率晶體管的基極，使晶體管的集電極和發(fā)射極絕大部分時(shí)間工作在放大狀態(tài)(晶體管的集電極和發(fā)射極的其它工作時(shí)間處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)以及關(guān)斷截止?fàn)顟B(tài))，處于放大狀態(tài)時(shí)的晶體管電流損耗大，導(dǎo)致傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器功耗過(guò)大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種星上低功耗高精度二維指向機(jī)械驅(qū)動(dòng)器，以解決現(xiàn)役飛行衛(wèi)星太陽(yáng)陣驅(qū)動(dòng)器采用的恒流驅(qū)動(dòng)方式，使處于放大狀態(tài)時(shí)的晶體管電流損耗大，導(dǎo)致傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器功耗過(guò)大的問(wèn)題。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：提供一種星上低功耗高精度二維指向機(jī)械驅(qū)動(dòng)器，包括：電源模塊，將驅(qū)動(dòng)器接收的電源變換成所述驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部所需的控制電源；控制模塊，接收上位機(jī)的串行指令，并發(fā)送反饋信號(hào)；通過(guò)解算控制指令控制fpga發(fā)送步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；fpga將輸出的繞組電流波形細(xì)分成n級(jí)近似階梯波驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)繞組的電流信號(hào)逼近模擬連續(xù)信號(hào)；驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)所述控制模塊產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大。

進(jìn)一步地，所述電源模塊將驅(qū)動(dòng)器接收的一次母線(xiàn)+28v電源，變換成所述驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部所需的+5v和±12v控制電源。

進(jìn)一步地，fpga將接收到的電機(jī)控制指令，以正弦波作為基準(zhǔn)波，用fpga對(duì)晶振進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸出一列不對(duì)稱(chēng)三角波信號(hào)，作為載波與正弦波相交，由它們的交點(diǎn)確定逆變器的開(kāi)關(guān)模式。

進(jìn)一步地，當(dāng)正弦波高于三角波時(shí)，則使相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)正弦波低于三角波時(shí)，開(kāi)關(guān)器件截止，從而調(diào)制成對(duì)應(yīng)的脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

進(jìn)一步地，所述驅(qū)動(dòng)模塊采用兩組h橋驅(qū)動(dòng)組件，對(duì)二維指向機(jī)構(gòu)電機(jī)的兩個(gè)繞組進(jìn)行控制。

進(jìn)一步地，控制模塊中的cpu通過(guò)rs-422接口接收上位機(jī)的串行指令，并發(fā)送反饋信號(hào)。

本發(fā)明提供的星上低功耗高精度二維指向機(jī)械驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)方式從原來(lái)的恒流源驅(qū)動(dòng)改為脈寬調(diào)制(pwm)驅(qū)動(dòng)，pwm驅(qū)動(dòng)完全利用大晶體管開(kāi)關(guān)特性對(duì)固定的直流電壓進(jìn)行調(diào)制，從而降低了驅(qū)動(dòng)功耗，解決了原星上驅(qū)動(dòng)器功耗大，體積大，重量重等問(wèn)題；采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)將步進(jìn)電機(jī)固定步距角轉(zhuǎn)動(dòng)方式劃分為在細(xì)小時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)微小角度并保持微步內(nèi)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)平衡，以提高二維機(jī)構(gòu)指向精度和穩(wěn)定度。該驅(qū)動(dòng)器能驅(qū)動(dòng)二維指向機(jī)構(gòu)完成規(guī)定范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，并大大降低同樣工況下的功耗。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的星上低功耗高精度二維指向機(jī)械驅(qū)動(dòng)器模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的對(duì)半周期細(xì)分?jǐn)?shù)為9時(shí)步進(jìn)電機(jī)spwm細(xì)分?jǐn)夭?qū)動(dòng)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的星上低功耗高精度二維指向機(jī)械驅(qū)動(dòng)器作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)下面說(shuō)明和權(quán)利要求書(shū)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說(shuō)明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用以方便、明晰地輔助說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

本發(fā)明的核心思想在于，本發(fā)明提供的星上低功耗高精度二維指向機(jī)械驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)方式從原來(lái)的恒流源驅(qū)動(dòng)改為脈寬調(diào)制(pwm)驅(qū)動(dòng)，pwm驅(qū)動(dòng)完全利用大晶體管開(kāi)關(guān)特性對(duì)固定的直流電壓進(jìn)行調(diào)制，從而降低了驅(qū)動(dòng)功耗，解決了原星上驅(qū)動(dòng)器功耗大，體積大，重量重等問(wèn)題；采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)將步進(jìn)電機(jī)固定步距角轉(zhuǎn)動(dòng)方式劃分為在細(xì)小時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)微小角度并保持微步內(nèi)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)平衡，以提高二維機(jī)構(gòu)指向精度和穩(wěn)定度。該驅(qū)動(dòng)器能驅(qū)動(dòng)二維指向機(jī)構(gòu)完成規(guī)定范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，并大大降低同樣工況下的功耗。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的星上低功耗高精度二維指向機(jī)械驅(qū)動(dòng)器模塊結(jié)構(gòu)示意圖。參照?qǐng)D1，星上低功耗高精度二維指向機(jī)械驅(qū)動(dòng)器包括：電源模塊11，將驅(qū)動(dòng)器接收的電源變換成所述驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部所需的控制電源；控制模塊12，接收上位機(jī)13的串行指令，并發(fā)送反饋信號(hào)；通過(guò)解算控制指令控制fpga發(fā)送步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；fpga將輸出的繞組電流波形細(xì)分成n級(jí)近似階梯波驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)繞組15的電流信號(hào)逼近模擬連續(xù)信號(hào)；驅(qū)動(dòng)模塊14，對(duì)所述控制模塊12產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述驅(qū)動(dòng)模塊14采用兩組h橋驅(qū)動(dòng)組件，即驅(qū)動(dòng)模塊14包括x軸驅(qū)動(dòng)模塊14a以及y軸驅(qū)動(dòng)模塊14b，對(duì)二維指向機(jī)構(gòu)16的兩個(gè)電機(jī)繞組進(jìn)行控制，即x軸電機(jī)繞組15a和y軸電機(jī)繞組15b。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述電源模塊11將驅(qū)動(dòng)器接收的一次母線(xiàn)+28v電源，變換成所述驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部所需的+5v和±12v控制電源；控制模塊12中的cpu通過(guò)rs-422接口接收上位機(jī)13的串行指令，并發(fā)送反饋信號(hào)。

進(jìn)一步地，fpga將接收到的電機(jī)控制指令，以正弦波作為基準(zhǔn)波，用fpga對(duì)晶振進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸出一列不對(duì)稱(chēng)三角波信號(hào)，作為載波與正弦波相交，由它們的交點(diǎn)確定逆變器的開(kāi)關(guān)模式。當(dāng)正弦波高于三角波時(shí)，則使相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)正弦波低于三角波時(shí)，開(kāi)關(guān)器件截止，從而調(diào)制成對(duì)應(yīng)的脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

本發(fā)明提供的星上低功耗高精度二維指向機(jī)械驅(qū)動(dòng)器采用fpga實(shí)現(xiàn)二維步進(jìn)電機(jī)spwm細(xì)分?jǐn)夭?qū)動(dòng)方式。該方式利用脈寬調(diào)制技術(shù)使大功率管完全工作在飽和導(dǎo)通(接通)和關(guān)斷截止?fàn)顟B(tài)(斷開(kāi))，減少了晶體管不必要的電流損耗，將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成固定頻率的矩形波，通過(guò)調(diào)節(jié)矩形波“占空比”從而控制功率管通斷時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變輸出到電機(jī)繞組上的平均電流，從而改變步進(jìn)電機(jī)輸出力矩大小，解決步進(jìn)電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)力矩下降的缺點(diǎn)。spwm斬波的特點(diǎn)是：當(dāng)電機(jī)速度一定時(shí)，半個(gè)周期中，輸出的脈沖幅值相同，頻率相同，矩形波中間占空比大，兩端占空比小，各脈沖面積與該區(qū)間正弦波下的面積成正比，這樣輸出電壓中的低次諧波分量可以大大減少。

采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)將步進(jìn)電機(jī)固定步距角轉(zhuǎn)動(dòng)方式劃分為在細(xì)小時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)微小角度并保持微步內(nèi)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)平衡，以提高二維機(jī)構(gòu)指向精度和穩(wěn)定度的技術(shù)。當(dāng)全步距角細(xì)分?jǐn)?shù)足夠大時(shí)，電機(jī)繞組的電流信號(hào)就逼近模擬連續(xù)信號(hào)。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制的關(guān)鍵是用細(xì)分電流波形來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)各相繞組中的電流，本發(fā)明提供的星上低功耗高精度二維指向機(jī)械驅(qū)動(dòng)器用fpga實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦波進(jìn)行細(xì)分，采用spwm形式輸出斬波。電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，脈沖周期(正弦波周期)不同，一個(gè)脈沖周期，電機(jī)固定走4個(gè)步距角，就可以計(jì)算在不同速度下，對(duì)一個(gè)脈沖周期進(jìn)行n細(xì)分后的每個(gè)細(xì)分點(diǎn)時(shí)間：假定當(dāng)前電機(jī)速度為ω，步距角為θ，細(xì)分?jǐn)?shù)為n，則在該電機(jī)速度下每個(gè)細(xì)分點(diǎn)持續(xù)時(shí)間t為：

t＝4×θ/(ω×n)(1)

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的對(duì)半周期細(xì)分?jǐn)?shù)為9時(shí)步進(jìn)電機(jī)spwm細(xì)分?jǐn)夭?qū)動(dòng)示意圖。參照?qǐng)D2，fpga對(duì)晶振進(jìn)行計(jì)數(shù)，輸出一列不對(duì)稱(chēng)三角波信號(hào)，作為載波。例如fpga晶振為24mhz，斬波計(jì)數(shù)器位寬設(shè)置為10位，當(dāng)計(jì)滿(mǎn)全’1’，則重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，否則每一個(gè)時(shí)鐘上升沿，對(duì)計(jì)數(shù)器加’1’操作，則實(shí)現(xiàn)固定頻率為23.4375khz，最大幅值為1023的非對(duì)稱(chēng)三角波。

fpga例化一張細(xì)分表，用于存放將正弦波進(jìn)行n個(gè)細(xì)分的細(xì)分點(diǎn)值，圖2以半周期細(xì)分?jǐn)?shù)為9舉例說(shuō)明斬波輸出方式，圖中半周期階梯波形數(shù)量為9。設(shè)置可調(diào)占空比，用于改變輸出繞組上的平均電流值，所以經(jīng)過(guò)占空比處理的正弦細(xì)分表值作為基準(zhǔn)波(調(diào)制波)用于和非對(duì)稱(chēng)三角波(載波)進(jìn)行比較，當(dāng)正弦基波的值大于三角波的值，則輸出的斬波脈沖為高電平，否則為低電平。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。