摘要：本文主要研究了衛星天線伺服控制系統結構組成、控制方案、系統硬軟件設計等，設計方案中充分利用了DSP硬件資源和復雜邏輯陣列實現了驅動電機和平衡電機的協調控制。該系統具有較高的轉速穩定性和高精度的掃描周期，可以在外太空模擬環境下長期可靠地運行。 關鍵詞：衛星天線；伺服控制系統；永磁電機；多邊形磁通軌跡；數字信號處理器 [align=center]Design about Antenna Driver of Secondary Planet System Based on DSP Jia Yaqiong （Hunan Institute of Technology, Hengyang 421008,China）[/align] 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 衛星上掃描天線主軸轉動可靠、穩定旋轉是衛星關鍵和重要組成部分。國內已使用的衛星天線掃描驅動系統也都采用的是無刷直流電動機或步進電動機驅動技術。本課題就是為了解決某型號衛星的可靠性和穩定性而專門設計新型稀土永磁同步電機伺服驅動結構。它的主要任務是保證星上天線的穩定地旋轉，同時能提供精確的角位置測量數據，在轉動部分和固定部分之間傳輸電源能量和遙感數據、工程遙測數據和遙控指令。 2 系統總體方案設計 2.1系統構成 衛星天線驅動系統由驅動電機、動量矩平衡電機、旋轉光柵編碼器、伺服控制器、電源功率變換器五部分組成。系統結構框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1系統組成結構框圖[/align] 其各自作用如下： 1.驅動電機：用于驅動天線轉動的動力源。 2.動量矩平衡電機：用于平衡天線轉動過程中的動量。 3旋轉光柵編碼器：用于測量天線轉動的角度，輸入到伺服電機驅動控制器以保證精確控制天線的轉速和轉角。 4伺服控制器：用于控制、驅動驅動電動機、動量矩平衡電動機的高精度運行以及信息處理與控制子系統通信。 5.電源功率變換器：用于將星上的DC28V變換并傳送到轉動的天線以及轉動部件上作為供電電源。 信息傳輸裝置用于將轉動的天線上的信息傳到星上固定的設備上，將控制信號由星上固定設備傳到轉動的天線上。該裝置完成在相對運動過程中信息可靠傳遞的作用。 2. 2系統控制方案 在本系統中，驅動電機帶動天線進行周期掃描，為成像設備提供成像數據。它要求有掃描周期起始的位置信號，同時要求掃描周期精確，且掃描天線理論上應該嚴格的勻速旋轉。所以驅動電機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綜合，驅動電機控制原理框圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 驅動電機控制框圖[/align] 根據控制系統原理圖知，根據轉速要求，計算出當前電機應處的轉子位置并給定信號，與位置反饋回來的信號進行比較，如有誤差則進行位置調節算法計算，其計算結果作為速度給定輸入，并進行速度調節算法計算，其計算結果作為電流給定輸入，與電流反饋信號比較后進行電流調節，電流調節信號作為產生電壓向量幅值的依據，通過查表法查出PWM的波形分配，并產生PWM控制波形。該PWM波形加到隔離驅動電路，以控制電機的轉動。 3 控制系統硬件設計 在本伺服系統中，控制器是其核心部件，它不僅要完成外部信號的處理，電機驅動信號的給定，更重要的是完成整個系統的控制策略。本系統以TMS320F240 DSP器件為控制核心，充分利用F240的高速信號處理能力和電機控制優化的外圍電路，具有控制精度高，抗干擾能力強且成本較低等優點，可以為高性能傳動控制提供可靠高效的信號處理與硬件控制。 系統框圖如圖3所示，主要由DSP （TMS320F240）最小系統模塊、驅動電機邏輯控制單元、平衡電機邏輯控制單元、隔離驅動單元、功率電路單元、電流檢測及電路保護單元、驅動電機的位置反饋單元、平衡電機的位置反饋單元、永磁同步電機、無刷電機等構成。當天線驅動控制器接收到信息處理與控制子系統發送的接通旋轉或斷開旋轉遙控命令時，同時啟動或制動驅動電機和平衡電機，根據動量矩平衡原理，由驅動電機轉速計算出平衡電機轉速，從而使平衡電機跟蹤驅動電機，以此達到動量平衡，滿足驅動機構穩定運行時剩余動量矩不大于0. 02Nms，啟動與制動過程中不大于0. 1Nms。 [align=center] 圖3系統模塊框圖[/align] 3.1 DSP的接口電路 TMS320F240及其接口電路如圖4所示，主要是存儲器的擴展、復位引腳、JTAG引腳的配置以及時鐘模塊引腳配置，以下分別作簡要介紹。 存儲器擴展主要是TMS320F240內部存儲容量有限，同時也考慮到調試過程中可以方便將程序下載到片外高速SRAM中，不用頻繁的寫片內EPPROM。存儲器擴展采用的是高速靜態RAM芯片CY7C199，它的存儲容量為32k bytes，地址總線為15位，數據總線為8位。在本系統中，使用了兩片CY7C199，組成32k words的高速存儲器。CY7C199的數據存取周期是lOns，而TMS320F240的CPU周期是50ns，因此，用于產生等待信號的ready引腳無需連接到存儲器，直接經電阻接到高電平。 其他引腳配置是這樣的：①與時鐘源模塊相關的引腳。由于本系統采用外部晶振，/ OSCBYP經電阻拉高，XTAL1/CLKIN接4MHz外部晶振。XTAL2接晶振的另一端。②與系統復位有關的引腳。電源復位使用/PORESET引腳，將其接在阻容電路中，引腳上產生由低到高變化時系統復位。/ RS在作為輸入時作用和/ PORESET是相同的，因此將其直接拉高。圖中VCCP編程電壓接為高，用于調試和燒寫flash，因此看門狗復位功能可以禁止。在調試完成后，VCCP接地，以防止干擾對程序及看門狗的意外操作。③與JTAG接口有關的引腳。程序的下載是通過JTAG接口完成的，這個接口經過轉換電路（仿真器），與PC機的并口或專用板卡接口相連接。除電源、地之外，DSP的JTAG接口還有7個引腳，其中EMLO, EMLl需拉高，其他引腳TDI，TDO，TMS，TCK，TRST直接與仿真器相連。 [align=center] 圖4 TMS320F240及其接口電路原理圖[/align] 3.2死區產生電路 實際功率器件的開通和關斷并不是瞬間完成的，而是需要一定的時間。如果一個橋臂上的兩個功率管同時導通，由于功率管本身的阻抗一般很小，將導致電流遠遠超過額定值，損壞器件。為了防止這種情況的發生，一般的做法是在系統控制邏輯時序中上下臂輸入的開通信號之間留一小段時間，稱為死區時間，一般10︿-30us。TMS320F240中的完全比較單元中有死區發生器，為了系統的設計靈活和可靠，采用外加死區電路。死區電路是由電阻、二極管、電容，分離器件構成如圖5所示，輸入的方波信號in，理想輸出脈沖out信號，其寬度由電阻電容的值決定。當輸入端從低向高跳變時，電容充電電流在電阻上產生電壓，充電時間即為脈沖寬度，充電完畢后，輸出端變為低電平。當輸入從高往低跳變時，電容放電電流經過二極管短路，故輸出仍為低電平。 [align=center] 圖5死區電路及理想波形[/align] 3.3電流檢測電路 由于要進行矢量控制，必須檢測電機三相的繞組電流，從而實現驅動電機和補償電機電流環控制。電機的三相電流是通過開關管逆變過來的，故實際檢測時只測量電機逆變橋前端的直流母線電流，就可以反映電機電流。故如圖6所示，選用南京中旭霍兒直流電流傳感器HNC025A檢測母線電流，再利用采樣電阻和AD公司的AD620放大器放大、RC低通濾波后，與集成在TMS320F240內的A/ D轉換器外引腳相連接。（注意一般情況下T =RC>5t t為功率管關斷時間，濾波效果最好，因此RC參數選擇也很重要）。 [align=center] 圖6電流檢測電路[/align] 3.4電壓檢測電路 由于在太空中，電源供給通過太陽能電池提供的，因而電源會在28V左右浮動，同時考慮補償電機是直流無刷電動機，在天線穩定的時候，轉速特別高，當供電電壓波動比較厲害的時候，要滿足系統動量矩平衡條件，要具有快速性、調速范圍寬等特點，因此系統實時檢測直流側的電壓，并且監測電壓值經過采樣、轉換后送到DSP的A/D轉換模塊。直流側輸出值最大值為30V，這個電壓經過分壓電阻，產生一個處于0～5V范圍內的電壓信號。 考慮到用普通光禍，只能實現開關量的隔離，不能用于直流或交流模擬量，因此采用了線性光耦來實現。系統中選用的是惠普公司的精密線性光藕HCNR200，它的帶寬大于200kHz，并且有很高的穩定性，溫度變化一攝氏度時，由此產生的誤差不超過±0.005%/℃。 HCNR200內部結構可分為兩部分。一部分是輸入端發光二極管和輸出端二極管之間的禍合。輸入端發光二極管中通過的電流變化使其亮度變化，進而使通過輸出二極管的電流成比例變化;另一部分是輸入端發光二極管和反饋二極管之間的耦合。反饋二極管上的電流變化反映了輸入端發光二極管亮度的變化，它的作用是補償由于溫度等各種原因導致的非線性失真。 本系統采用的是HCNR200的典型電路，如圖7所示。 [align=center] 圖7電壓檢測電路[/align] 3.5 硬件抗干擾設計 在控制系統中，各種電磁干擾（EMI）是相當多的，一方面，電動機本身會產生電磁干擾信號；另一方面，逆變器中的半導體元件是以開關方式工作的，會產生大量高頻諧波。此外，外部其它設備也會將各種干擾信號帶入系統中去，這些干擾信號通過“場”或“路”的方式傳遞到控制電路中，如果不采取有效措施加以避免，就可能使電路或程序工作紊亂。本系統在硬件設計中抑制干擾主要考慮了以下幾方面：①電源噪聲干擾的抑制。一般來說，這種干擾是無法完全克服的，只能盡量減小進入干擾脈沖的幅度。一般做法在電源輸入端跨接10～100μF的電解電容，同時并一個濾高頻的小電容；在低頻信號的傳輸通路中加入RC低通濾波器，可以大大消弱各類高頻干擾信號。本系統在28V電源的輸入端專門選用了EMI濾波模塊，在5V±12V電源輸入端均并聯一只10μF的電容和一只0.1μF的電容，濾除電源中的毛刺。②由于過程通道與外部設備相連，因此無論是數字量的輸入輸出通道，還 是模擬量的輸入輸出通道，都是干擾源的竄入渠道，要截斷這條渠道，一是去掉外部設備與過程通道之間的公共地線，實現彼此之間電隔離；二是合理設計元器件的布局和它們之間的走線，減小電路的分布電容，雜散電磁場，抑制各種干擾噪聲的產生。 4 控制系統軟件設計 系統軟件總體分為通訊模塊、電機調速模塊、故障處理、A/D采樣四大模塊，其通訊模塊實現與信息處理與控制子系統進行遙測參數和遙控指令通訊，電機調速模塊完成驅動電機和平衡電機控制算法，故障處理是實現軟件保護，A/D采樣完成電流采用和電壓監測，實現電流PID調節。 系統主程序模塊完成驅動電機啟動轉子位置測量，給啟動空間矢量，調用初始化程序，判斷是否發送掃描周期數據，調用速度調節程序。框圖分別如圖8和圖9所示。 [align=center] 圖8 初始化程序流程圖 圖9主程序流程圖[/align] 5 結束語 通過對衛星天線驅動控制系統穩態時驅動電機掃描周期統計圖以及曲線分析圖可知，系統穩態時掃描周期誤差范圍在±0. 5ms范圍內，中心值1. 70052ms。并通過測試系統給出的測試曲線可知，衛星天線伺服控制系統啟動時間、啟動和制動剩余動量矩以及穩態轉速穩定度均滿足系統提出技術指標要求。 參考文獻： [1] 張雄偉等.DSP集成開發與應用實例[M]北京：電子工業出版社，2002 [2] 俞斌. 基于DSP的永磁無刷直流電動機伺服控制系統設計[J]. 電機與控制應用，2007.7 [3] 俞斌.一種基于DSP的三相無刷直流電動機控制系統的設計[J]. 工礦自動化，2007.5 [4] 俞斌.基于DSP的無刷直流電動機智能控制系統的研究[J].控制與傳動，2007.4 作者簡介： 賈雅瓊（1982-），女，山西長治人，碩士，主要研究方向：電路與系統和DSP技術。 EMAIL：yaqiongjia@163.com 聯系電話：0734-6098825 通信地址：湖南省衡陽市雷公塘14#湖南工學院電氣與信息工程系 郵政編碼：421008