关键词：卫星天线；伺服控制系统；永磁电机；多边形磁通轨迹；数字信号处理器
Jia Yaqiong
（Hunan Institute of Technology, Hengyang 421008,China）
Abstract：This paper mainly studies the antenna servo control system: system composition control scheme，the hardware and software design. The harmonious control of driver motor and balance motor is realized by making full use of the DSP hardware resource and complicated programmable logic device. The result shows that the system has good speed stability ,high precision scan period and can work reliably under the simulative space environment.
Keywords：Satellite antenna；Servo control system；Permanent Magnet motor；Polygonal flux linkage locus；DSP
1 引言
卫星上扫描天线主轴转动可靠、稳定旋转是卫星关键和重要组成部分。国内已使用的卫星天线扫描驱动系统也都采用的是无刷直流电动机或步进电动机驱动技术。本课题就是为了解决某型号卫星的可靠性和稳定性而专门设计新型稀土永磁同步电机伺服驱动结构。它的主要任务是保证星上天线的稳定地旋转，同时能提供精确的角位置测量数据，在转动部分和固定部分之间传输电源能量和遥感数据、工程遥测数据和遥控指令。
2 系统总体方案设计
2.1系统构成
卫星天线驱动系统由驱动电机、动量矩平衡电机、旋转光栅编码器、伺服控制器、电源功率变换器五部分组成。系统结构框图如图1所示。
图1系统组成结构框图
其各自作用如下：
1.驱动电机：用于驱动天线转动的动力源。
2.动量矩平衡电机：用于平衡天线转动过程中的动量。
3旋转光栅编码器：用于测量天线转动的角度，输入到伺服电机驱动控制器以保证精确控制天线的转速和转角。
4伺服控制器：用于控制、驱动驱动电动机、动量矩平衡电动机的高精度运行以及信息处理与控制子系统通信。
5.电源功率变换器：用于将星上的DC28V变换并传送到转动的天线以及转动部件上作为供电电源。
信息传输装置用于将转动的天线上的信息传到星上固定的设备上，将控制信号由星上固定设备传到转动的天线上。该装置完成在相对运动过程中信息可靠传递的作用。
2. 2系统控制方案
在本系统中，驱动电机带动天线进行周期扫描，为成像设备提供成像数据。它要求有扫描周期起始的位置信号，同时要求扫描周期精确，且扫描天线理论上应该严格的匀速旋转。所以驱动电机既要求速度控制又要求位置控制，是速度控制和位置控制的综合，驱动电机控制原理框图如图2所示。
图2 驱动电机控制框图
根据控制系统原理图知，根据转速要求，计算出当前电机应处的转子位置并给定信号，与位置反馈回来的信号进行比较，如有误差则进行位置调节算法计算，其计算结果作为速度给定输入，并进行速度调节算法计算，其计算结果作为电流给定输入，与电流反馈信号比较后进行电流调节，电流调节信号作为产生电压向量幅值的依据，通过查表法查出PWM的波形分配，并产生PWM控制波形。该PWM波形加到隔离驱动电路，以控制电机的转动。
3 控制系统硬件设计
在本伺服系统中，控制器是其核心部件，它不仅要完成外部信号的处理，电机驱动信号的给定，更重要的是完成整个系统的控制策略。本系统以TMS320F240 DSP器件为控制核心，充分利用F240的高速信号处理能力和电机控制优化的外围电路，具有控制精度高，抗干扰能力强且成本较低等优点，可以为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与硬件控制。
系统框图如图3所示，主要由DSP （TMS320F240）最小系统模块、驱动电机逻辑控制单元、平衡电机逻辑控制单元、隔离驱动单元、功率电路单元、电流检测及电路保护单元、驱动电机的位置反馈单元、平衡电机的位置反馈单元、永磁同步电机、无刷电机等构成。当天线驱动控制器接收到信息处理与控制子系统发送的接通旋转或断开旋转遥控命令时，同时启动或制动驱动电机和平衡电机，根据动量矩平衡原理，由驱动电机转速计算出平衡电机转速，从而使平衡电机跟踪驱动电机，以此达到动量平衡，满足驱动机构稳定运行时剩余动量矩不大于0. 02Nms，启动与制动过程中不大于0. 1Nms。
图3系统模块框图
3.1 DSP的接口电路
TMS320F240及其接口电路如图4所示，主要是存储器的扩展、复位引脚、JTAG引脚的配置以及时钟模块引脚配置，以下分别作简要介绍。
存储器扩展主要是TMS320F240内部存储容量有限，同时也考虑到调试过程中可以方便将程序下载到片外高速SRAM中，不用频繁的写片内EPPROM。存储器扩展采用的是高速静态RAM芯片CY7C199，它的存储容量为32k bytes，地址总线为15位，数据总线为8位。在本系统中，使用了两片CY7C199，组成32k words的高速存储器。CY7C199的数据存取周期是lOns，而TMS320F240的CPU周期是50ns，因此，用于产生等待信号的ready引脚无需连接到存储器，直接经电阻接到高电平。
其他引脚配置是这样的：①与时钟源模块相关的引脚。由于本系统采用外部晶振，/ OSCBYP经电阻拉高，XTAL1/CLKIN接4MHz外部晶振。XTAL2接晶振的另一端。②与系统复位有关的引脚。电源复位使用/PORESET引脚，将其接在阻容电路中，引脚上产生由低到高变化时系统复位。/ RS在作为输入时作用和/ PORESET是相同的，因此将其直接拉高。图中VCCP编程电压接为高，用于调试和烧写flash，因此看门狗复位功能可以禁止。在调试完成后，VCCP接地，以防止干扰对程序及看门狗的意外操作。③与JTAG接口有关的引脚。程序的下载是通过JTAG接口完成的，这个接口经过转换电路（仿真器），与PC机的并口或专用板卡接口相连接。除电源、地之外，DSP的JTAG接口还有7个引脚，其中EMLO, EMLl需拉高，其他引脚TDI，TDO，TMS，TCK，TRST直接与仿真器相连。
图4 TMS320F240及其接口电路原理图
3.2死区产生电路
实际功率器件的开通和关断并不是瞬间完成的，而是需要一定的时间。如果一个桥臂上的两个功率管同时导通，由于功率管本身的阻抗一般很小，将导致电流远远超过额定值，损坏器件。为了防止这种情况的发生，一般的做法是在系统控制逻辑时序中上下臂输入的开通信号之间留一小段时间，称为死区时间，一般10︿-30us。TMS320F240中的完全比较单元中有死区发生器，为了系统的设计灵活和可靠，采用外加死区电路。死区电路是由电阻、二极管、电容，分离器件构成如图5所示，输入的方波信号in，理想输出脉冲out信号，其宽度由电阻电容的值决定。当输入端从低向高跳变时，电容充电电流在电阻上产生电压，充电时间即为脉冲宽度，充电完毕后，输出端变为低电平。当输入从高往低跳变时，电容放电电流经过二极管短路，故输出仍为低电平。
图5死区电路及理想波形
3.3电流检测电路
由于要进行矢量控制，必须检测电机三相的绕组电流，从而实现驱动电机和补偿电机电流环控制。电机的三相电流是通过开关管逆变过来的，故实际检测时只测量电机逆变桥前端的直流母线电流，就可以反映电机电流。故如图6所示，选用南京中旭霍儿直流电流传感器HNC025A检测母线电流，再利用采样电阻和AD公司的AD620放大器放大、RC低通滤波后，与集成在TMS320F240内的A/ D转换器外引脚相连接。（注意一般情况下T =RC>5t t为功率管关断时间，滤波效果最好，因此RC参数选择也很重要）。
图6电流检测电路
3.4电压检测电路
由于在太空中，电源供给通过太阳能电池提供的，因而电源会在28V左右浮动，同时考虑补偿电机是直流无刷电动机，在天线稳定的时候，转速特别高，当供电电压波动比较厉害的时候，要满足系统动量矩平衡条件，要具有快速性、调速范围宽等特点，因此系统实时检测直流侧的电压，并且监测电压值经过采样、转换后送到DSP的A/D转换模块。直流侧输出值最大值为30V，这个电压经过分压电阻，产生一个处于0～5V范围内的电压信号。
考虑到用普通光祸，只能实现开关量的隔离，不能用于直流或交流模拟量，因此采用了线性光耦来实现。系统中选用的是惠普公司的精密线性光藕HCNR200，它的带宽大于200kHz，并且有很高的稳定性，温度变化一摄氏度时，由此产生的误差不超过±0.005%/℃。
HCNR200内部结构可分为两部分。一部分是输入端发光二极管和输出端二极管之间的祸合。输入端发光二极管中通过的电流变化使其亮度变化，进而使通过输出二极管的电流成比例变化;另一部分是输入端发光二极管和反馈二极管之间的耦合。反馈二极管上的电流变化反映了输入端发光二极管亮度的变化，它的作用是补偿由于温度等各种原因导致的非线性失真。
本系统采用的是HCNR200的典型电路，如图7所示。
图7电压检测电路
3.5 硬件抗干扰设计
在控制系统中，各种电磁干扰（EMI）是相当多的，一方面，电动机本身会产生电磁干扰信号；另一方面，逆变器中的半导体元件是以开关方式工作的，会产生大量高频谐波。此外，外部其它设备也会将各种干扰信号带入系统中去，这些干扰信号通过“场”或“路”的方式传递到控制电路中，如果不采取有效措施加以避免，就可能使电路或程序工作紊乱。本系统在硬件设计中抑制干扰主要考虑了以下几方面：①电源噪声干扰的抑制。一般来说，这种干扰是无法完全克服的，只能尽量减小进入干扰脉冲的幅度。一般做法在电源输入端跨接10～100μF的电解电容，同时并一个滤高频的小电容；在低频信号的传输通路中加入RC低通滤波器，可以大大消弱各类高频干扰信号。本系统在28V电源的输入端专门选用了EMI滤波模块，在5V±12V电源输入端均并联一只10μF的电容和一只0.1μF的电容，滤除电源中的毛刺。②由于过程通道与外部设备相连，因此无论是数字量的输入输出通道，还 是模拟量的输入输出通道，都是干扰源的窜入渠道，要截断这条渠道，一是去掉外部设备与过程通道之间的公共地线，实现彼此之间电隔离；二是合理设计元器件的布局和它们之间的走线，减小电路的分布电容，杂散电磁场，抑制各种干扰噪声的产生。
4 控制系统软件设计
系统软件总体分为通讯模块、电机调速模块、故障处理、A/D采样四大模块，其通讯模块实现与信息处理与控制子系统进行遥测参数和遥控指令通讯，电机调速模块完成驱动电机和平衡电机控制算法，故障处理是实现软件保护，A/D采样完成电流采用和电压监测，实现电流PID调节。
系统主程序模块完成驱动电机启动转子位置测量，给启动空间矢量，调用初始化程序，判断是否发送扫描周期数据，调用速度调节程序。框图分别如图8和图9所示。
图8 初始化程序流程图 图9主程序流程图
5 结束语
通过对卫星天线驱动控制系统稳态时驱动电机扫描周期统计图以及曲线分析图可知，系统稳态时扫描周期误差范围在±0. 5ms范围内，中心值1. 70052ms。并通过测试系统给出的测试曲线可知，卫星天线伺服控制系统启动时间、启动和制动剩余动量矩以及稳态转速稳定度均满足系统提出技术指标要求。
参考文献：
[1] 张雄伟等.DSP集成开发与应用实例[M]北京：电子工业出版社，2002
[2] 俞斌. 基于DSP的永磁无刷直流电动机伺服控制系统设计[J]. 电机与控制应用，2007.7
[3] 俞斌.一种基于DSP的三相无刷直流电动机控制系统的设计[J]. 工矿自动化，2007.5
[4] 俞斌.基于DSP的无刷直流电动机智能控制系统的研究[J].控制与传动，2007.4
作者简介：
贾雅琼（1982-），女，山西长治人，硕士，主要研究方向：电路与系统和DSP技术。
EMAIL：yaqiongjia@163.com
联系电话：0734-6098825
通信地址：湖南省衡阳市雷公塘14#湖南工学院电气与信息工程系
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