大型平面SAR 天线机构驱动控制技术

2022-07-22孙海林黄潇嵘

现代制造技术与装备 2022年5期

李浩金慧孙海林黄潇嵘周浩

（上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）具有全天候、全天时、高分辨率和大面积成像的能力，是在高远位置上进行地球资源探测和海洋研究的有力工具。天线是SAR 系统的重要组成部分。受限于运载火箭整流罩内体积，SAR 天线展开状态下卫星无法放置进运载火箭，必须先收拢压紧在星体上才能运输发射，等卫星进入预定轨道后再展开锁定支撑有效载荷[1]。大型平面SAR 天线面积在30 m2以上，质量占星体总质量的比重大。由于转动惯量大，为避免天线从收拢状态到展开状态的过程对星体质心的相对位置产生影响，导致卫星姿态产生较大变化，SAR 天线的展开过程必须平稳可靠。同时，受限于体积和质量的指标限制，驱动控制产品需要集成化和小型化设计。目前，步进电机在空间飞行器中应用广泛，相对于其他类型电机具有技术成熟、体积小以及质量小的优势。本文SAR 天线选用两相混合式步进电机作为机构驱动电机，步距角为1.8°。根据任务要求，SAR天线在轨展开速度为每秒0.67°。若驱动电机单步运行，则需要2.69 s 前进一整步。此外，电机转动不连续会导致输出转矩波动大，且无法提供合适的输出力矩，因此选用9 200 ∶1 的减速器进行力矩放大，实现SAR 天线的平稳展开，要求驱动控制器驱动步进电机以每秒6 164°的超高速运行。目前，空间机构中成熟的控制方案驱动步进电机转速一般每秒不超过1 000°，当电机速度过高时会出现无法启动或启动失步的情况。

针对以上问题，本文提出了基于“FPGA+LMD18200”的主备双冗余电路的驱动控制器设计。其中：现场可编程逻辑门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）选用A54SX72ACQ208B 作为控制核心，实现电机驱动脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号的输出；选用集成电机驱动芯片LMD18200，放大FPGA 输出的电机驱动信号。根据实验结果，本文设计的驱动控制器具备驱动速度高、运行平稳等特点，同时采用低功耗和抗辐照器件，适用于航天应用环境。

1 驱动控制器电路设计

1.1 电路总体组成

本文驱动控制器的被控对象是SAR 天线机构，两者组成了完整的SAR 天线控制系统。SAR 天线机构由两相混合式步进电机、减速器、到位开关以及位置传感器组成，安装在舱外天线上。驱动控制器由控制系统、电机驱动模块及传感器信号采集系统组成。图1 是SAR 天线机构驱动控制的系统原理框图。驱动控制器的功能主要包括两方面：一方面，卫星入轨后接收星体遥控指令，按照指定程序提供SAR 天线机构步进电机的驱动供电，完成SAR 天线机构的有源展开；另一方面，接收、变换机构末端传感器位置和到位信号，并向星体传送遥测参数[2]。

驱动控制器硬件包含冷备份的两套电路。主备份电路均由FPGA 控制电路、电机驱动电路和机构传感器采集处理电路组成。FPGA 控制电路实现与星上综合电子的RS-422 通信及解析、输出电机驱动PWM信号以及采集位置传感器信号采集等功能。电机驱动电路LMD18200 负责接收控制信号，并对驱动信号进行功率放大。

1.2 FPGA 控制电路

FPGA 控制电路如图2 所示，包含FPGA 电路、RS-422 接口电路、信号隔离电路以及信号采集电路等。FPGA 芯片选用ACTEL 公司研制的A54SX72ACQ208B。该芯片资源基于反熔丝构架设计，有7.2 万典型门（Typical Gates）和171 个IO 口，支持5 V 供电。RS-422 接口电路选用INTERSIL 公司的82C52 作为串并转换器，配合完成串口信息的收发。电平转换器件选用26C31（发送器）和26C32（接收器），外部晶振频率为7.372 8 MHz。FPGA实现控制指令的解析，并根据控制指令反馈数据。SAR 天线机构上安装的微动开关传感器由54AC 芯片整形并经JSR164245 芯片隔离后送入FPGA 进行采集和处理。

1.3 电机驱动电路设计

电机驱动线路选用集成驱动芯片LMD18200。该芯片是专门用于电机驱动的H 桥组件，在一个芯片上集成了控制电路和DMOS 驱动器件。LMD18200 芯片可承受55 V 的电源电压，额定输出3 A 电流，最大可以输出6 A 电流。它可以兼容TTL 和CMOS 输入，具备过流、过热报警功能以及自动关断功能。DMOS驱动器件导通电阻为0.3 Ω。MD18200 芯片内H 桥驱动桥包含4 个DMOS 器件，内部通过300 kHz 左右工作频率的振荡电路为H 桥上桥臂的2 个DMOS 器件栅极提供控制电压。在芯片引脚1、11 外接自举电容，形成充电泵电路。外接自举电容的大小与DMOS器件栅极输入电容的充电速度成正比。DMOS 器件栅级电容电压充电速度越快，芯片的工作频率越高。LMD18200引脚2、10接电机绕组的两端，是输出引脚。驱动电机正转时，LMD18200 输出电流从引脚2 流出，从引脚10 流入；驱动电机反转时，LMD18200 输出电流从引脚10 流出，从引脚2 流入[3-4]。

2 高速驱动控制的实现

本文的步进电机采用PWM 驱动方案，电机为两相四拍工作方式。每次相邻绕组同时通电，四拍一循环，通过面积等效原理利用一系列的脉冲波形来等效正弦波[5]。通过FPGA 控制电路控制LMD18200 内4个DMOS 管的通断输出驱动电流，以驱动步进电机转动，如图3（a）所示。单绕组的电流曲线变化如图3（b）所示。图3（b）中，T为电机绕组电流变化周期。T与电机转动速度V成正比，有V=4θ/T，其中θ为步进电机步距角。θ值为固定值，因此电机转动速度要求越高，则T值需要越小，图3（b）中对应的ΔT值越小。ΔT值越小，则需要电机绕组电流变化速度越快。电机绕组为感性负载，而感性负载具有阻值电流变化的特性。如果电机绕组内电流从最高降为最低需要的时间为Δt，当控制时间ΔT＜Δt时，即控制电流变化速度快于绕组感性负载特有的泄放时间时，在未对电机绕组电流做闭环控制的情况下，电机开始失步直至堵转停止。因此，实现步进电机高速运动的前提是能够实现绕组电流的快速变化。

为实现步进电机高速控制，当电机绕组中为正向电流即为图3（a）中I1流向时，需在ΔT时间内将绕组电流快速从最大值降为0 A。为实现此目的，控制当I1电流需减小时，需控制Q2的MOSFET 管子打开，此时会在绕组内形成一个反向的电流I2。该电流与I1方向相反，可将I1电流较快泄放至0 A。同理，当电机绕组中为反向电流即为图3（a）中I2流向时，需在ΔT时间内将绕组电流快速从最大值降为0 A。控制当I1电流需减小时，控制Q0的MOSFET 管子打开，此时会在绕组内形成一个反向的电流I1。该电流与I2方向相反，可将I2电流较快泄放至0 A。ΔT根据转速而定，而ΔT决定了控制Q2/Q0的导通时间。通过设置Q2/Q0的导通时间，可实现控制电流与绕组实际电流的匹配。

LMD18200 芯片在以往空间应用中的BRAKE 信号始终接地，仅通过控制DIR 信号和PWM 信号实现电机的低速驱动。在高速电机驱动中，为实现电机电流的快速泄放，BRAKE 信号需要参与控制，给BRAKE 引脚输入PWM 信号的反向信号。为了满足高速电机运动情况下的电流快速变化，通过调节每个开关周期内10%～90%的开关开通比例完成绕组电流的快速微调。

3 实验验证

设计专用测试设备用于驱动控制器产品的生产、调试、测试和实验。测试设备可模拟星上综合电子进行指令发送和信息接收。在实验室环境中，采用SAR 天线对驱动控制器和测试设备进行联试实验，SAR 天线放置在大理石平台上，并使用气浮装置平衡重力影响。按照在轨工作状态，进行了SAR 天线机构展开实验。经分析：+X 翼SAR 天线机构平均转速为每秒0.671 02°，+X 翼电机平均转为速每秒6 173.384°；-X 翼SAR 天线机构平均转速为每秒0.670 98°，+X 翼电机平均转速为每秒6 173.016°；两翼展开时间差0.02 s。可见，天线转动速度、一致性及稳定性均符合指标要求。