双自由度步进电动机在卫星天线控制中的应用

双自由度步进电动机在卫星天线控制中的应用

张少儒

航天恒星空间技术应用有限公司卫通事业部 陕西西安 710077

摘要：立足双余度混合式步进电动机，展现其在卫星天线中控制，该系统涉及多个控制节点，指向及位置伺服控制，主要由单片机与多计旋转变压器完成。将该系统的运行机制分析，介绍其外围的部分硬件电路，以及分析如何将断电定位、准确归零等目标实现，应用该方式将定位力矩提高。

关键词：双自由度；卫星天线；混合式步进电动机；应用

通讯卫星与地面进行完美信号接收及发送，需建立在伺服驱动层面，从而实现卫星天线双自由度准确位置，该进程中需确保伺服系统具备高精度、高质量。卫星天线位置实施跟踪，主要依赖位置伺服控制，为切实提升系统运行安全性及可靠性，各自由度均需配备相应的双余度电机。系统需在运行进程中保持稳定运行，避免运动惯性突变，将卫星在空间内位置变更。为满足卫星双自由度运行要求，本文主要介绍80C196KC单片机控制，选取双余度混合步进电机，作为最终指向驱动系统。

1. 系统组成与工作原理

卫星天线驱动系统构成元件较多，主要将单片机为核心，不仅包含步进电机及其驱动器，而且涉及多级旋转变压器，进而构成完成的自由度位置伺服系统，其结构如图一所示。混合式步电机，主要由单一两套绕组构成，将单余度永磁式转子，作为该电机转子，进而形成以双余感应子磁为核心的电机。单一绕组选取两相步进电机作为核心驱动器，并利用减速器，实现驱动及低速运动目标。该系统中以多计旋转变压器实现位置检测，而RDC转换器将实现速度检测，位置伺服系统主要包含两构成元件，即I/O与上位PC计算机。

将4个独立混合台式步进电机功率，为系统功率核心驱动，并将其进行划分为两组，一组中包含两个电机，一个电机分别实现每个轴上的步进电机，双余度的工作模式较多多样，不仅包含主备份，而且涉及冷备份，为切实提升系统交互能力，将上述4个驱动板上电路布设相同。

图一 系统基本组成原理框架

2. 系统电路介绍

1. 单片机控制

该系统控制模块，主要围绕单片机展开，将其与外围接口连接，作为该系统的控制部分。该系统中使用的单片机未能包含程序存储器，为实现存储功能，需将锁存器与EPROM联合，构成该系统的程序存储器。同时，选用型号为74HC138译码器，为单品机外围芯片地址选取提供便捷，最终呈现为最小控制系统。为将该系统步进脉冲灵敏性提升，该系统中选取一路步进电动机，将其主要控制步进脉冲，从高速输出端输出，将脉冲响应时间缩短。此外，该系统中单片机接口较多，其具有多元化及丰富性，所以可完成系统中两轴灵活切换，及时将各种运行指令、故障检测，直接传输至单片机I/O接口，最终完成数据处理。

为提升系统中单片机运行效率，选取12MHz晶振，并对字节指令执行时间具有要个要求，一般将其设置为1us，加之未有单片机叠加作用，所以可将单片机运行速率提升。最后，该单片机拥有多个输入/出接口，可将脉冲进行实时处理；内置转换器可完成模拟信号采样。

2. 系统信号调节

2.1系统I/O接口

该系统单片机具备多个输入/出点，所以I/O接口核心目标为，将系统中全部输出/入信号接收及处理。该系统使用两片型号均为8255芯片，分别将其作为步进电机控制指令输出、采样归零信号及频率数字信号设定输入指令。但该芯片存在不足为，其拥有输出电流能力较为薄弱，所以为提升输出效率，需给予相应的三极管驱动电路，将其驱动能效提升，为控制信号进入步进电机驱动器之后，可安全将其输入至光电耦合器内。另一片8255芯片为归零及频率数字信号指令，此类信号均属于电平信号，所以可将其直接输入至对应接口内^[1]。

2.2故障保护处理

步进电机运行进程中，受各类因素影响，电机存在故障，会将其信号传输至驱动器，由其给予相应的报警提醒，为人们及时检修电机提供便捷。为此该系统中设置4个故障信号，并将其与相应的接口对应，当电机内部运行发生故障时，可通过单片机将其检测，系统被提供步进电机存在故障，单片机利用IP将其故障核心部位明确，将其呈现至相应的显示屏上，为操作人员做以提醒。

2.3键盘与LED显示

该系统中两路自由度，利用相应LED将电机运行频率实时显示，整数包含三位，小数包含2位。为此该系统选取8279显示电路，将其芯片直接与单片机接口连接，进而将电机运行状况显示，可将单片机软件开销节省。当系统中译码器，将相关三极管驱动之后，并将其进行放大处理，进而将两个LED显示电路控制。

2.4位置、速度检测

该系统中为实现位置及速度检测，选取旋转变压器，可切实保障检测数据准确性。旋转器输出相应的信号，利用转换器将其处理之后，且输出入计算机内部I/O接口内，便可完成位置实际量的采集，再对其位置信号进行微分处理，便可获取天线速度，进而形成完整通路位置、速度控制系统。该系统中并设有一个禁止信号，一个封存信号，之后其位数大于16位，才能使用禁止信号。

3. 步进电机驱动电路

本系统中，步进电机驱动电路，均选用集成芯片，型号为A3972A。该器件以恒流控制为主，其最大电流与电压范围具有严格的要求，细分控制对低速转矩波动具有一定抑制，可切实满足步进电机驱动所需。选取8位单片机，主要应用于驱动器，该单片机选取内核及指令系统中，具有较多优势，不仅内置程序存储器，而且体积占据面积小，对两相步进电机控制匹配性较高。为将该系统可靠性提升，驱动系统中设置输入为4路，不仅包含定宽变频输入信号、正反转控信号，而且涉及细分转换控制、使能控制信号。此外，为及时将系统运行故障信息给予操作人员，设定一路的故障信号，此类信号通过单片机接口传输^[2]。

4. 系统数字设定

该系统主要为地面测试设备，将其与接口组成卫星天线伺服系统，或通过显示面板，完成电机性能测试。为进一步实现系统运行可靠性，可通过实现全数字控制，将系统频率设定及操作转换，一并显示于相应的显示屏上，根据实际状况实现数据加减设定，将控制面板复杂性削弱。同时，为将数据进行直观设定，需将系统中预置运转步数，也设置为三位数开关，无需实施模拟设定，便可将设定准确性提升。

3. 位置归零与断电定位控制

该系统归零具有一定复杂性，两轴归零不尽相同，其中针对A轴而言，其具有良好的归零能效，主要实现途径为，手动将归零指令发出后，最短时间内将电机完成旋转，驱动位置传感器将其归零脉冲接收，并将其输送至单片机，电机以正常运转速率旋转，当获取该脉冲趋于下降状态，电机停止转动，完成归零动作。而针对B轴而言，其运行范围为加减90^o,该轴上装设相应的方向识别开关，电机运行状态可分为高电平与低电平，归零途径包含两种，即0^o与90^o。当电机转动至一定部位时，为节省电能，要求其与驱动机中断，所以电机仍需具备定位力矩。电机体积受限，决定其转矩较小，所以为将其数值增大，该系统选取继电器断电定位控制方式。

结束语

基于上述系统各控制部分分析，步进电机主要实现电流细分，且波形与正弦波相似，若对其未能细分主要呈现为方波；系统可实现预制电机运转步数设定，电机可根据初设值，进行持续性完成动作。此外，为实现系统全数字控制，选用5片单片机构成，不仅拥有高精确性，而且操作较为直观，携带便捷。

参考文献

[1]韩啸天, 邢鹏. 车载卫星天线步进电动机的运行和锁定[J]. 电子测试, 2019(12):55-57.

[2]王颖. 浅谈船用卫星天线伺服系统的控制[J]. 数字化用户, 2019(11):158.作者简介：张少儒（1979—），男，汉族，本科，研究方向：卫星通信产品系统设计与开发。