（物理电子学专业论文）用于卫星光通信pat系统的扫描捕获技术及步进电机驱动.pdf

浙江大学硕士论文 a b s t r a c t s a t e l l il eo d t i c a lc o m u n i c a t i o ni sap r o m i s i n g t e c h n o l o g y f o r f u r t h e r s p a c ec o m m u n i c a t i o n s ，t h o u g hi th a s1 0 t so fm a t t e r st ob es 0 1 v e d a so n e o ft h e k e yl e c h n o l o g i e sf o rs a t e l l i t eo p t i c a lc o 姗u n i c a t i o n ， p a t ( p o i n t jn g ，a c q u i s i t i o n ， a n dt r a c k i n g )t e c h n i q u ep e r f o r m sap r o m i n e n t r 0 1 e t h ep r i n c i p l eo f s t e p p e rm o t o r i si 1 1 u s t r a t e d ， a n di t sd r i v i n g t e c h n i q u eo fs t e p p e rm o t o ri sa n a l y z e db a s e do nt h ep a ta p p l i c a t i o ni n t h i sp a p e r ，a n du p o nt h e s es t a t e m e n t s ，am o d e lo fm i c r o s t e pm o t o rd r i v e r i sb u i l t w i t ht h ism o d e l ，t h eg i m b a ls u b s y s t e mi sc o n s t r u c t e d ，w h i c hi s o n eo fi m p o r t a n tp a r t so fp a ts y s t e m i no r d e rt oo b t a i nh i g hp e r f o r m a n c eo fa c q u i s i t i o n ， b e a ms c a n n i n g m e t h o d sn e e dt ob es t u d i e d t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb e a ms c a n n i n gm e t h o d s i nd e t a i1a n dc o m p a r e sr e c t a n g u l a rw a ya n ds p i r a lw a yo fs c a n n i n gm e t h o d s t h es i m u l a t i n gr e s u l t sp r o v et h es p i r a lw a yf i t sp a tt h e o r ym o d e lb e t t e r e x p e r i f i l e n t a lp l a t f o r md r i v e nb ys t e p p e rm o t o ri sa l s ob u i l tt ot e s t t h es y s t e m a t i cp e r f o r i a n c e k e yw o r d s ： s a t e l l i t eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，蹦r ，s t 印p e rm o t o r ，m i c r 0 - s t e pd r i v e r ， s c 锄i n g v 浙江大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 引言 光通信是人们经过多年探索并于近几年取得突破性进展的新技术。而卫星 光通信更是种崭新的空间通信手段。利用人造地球卫星作为中继站转发激光信 号，可以实现在多个航天器之间以及航天器与地球站之问的通信。其传输速率高、 可利用频带宽、安全性( 可靠性) 高、保密性强、终端设备体积小、质量轻、功耗 低等优点吸引着各国专家锲而不舍地探索【”。 通信技术一直是向着扩大通信距离、增大通信容量和提高传输能力的方向发 展的。在增大信道容量的方面，最初是通过复用来寻求出路，但是复用数总是有 限的。因此，光频段的使用解决了这个问题，为通信容量提供了比微波频率大3 4 个数量级的频带，这正是激光通信的主要优点之一。而且由于激光具有高度的 定向性，使的激光通信的保密性高，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力等等， 此外，激光进行卫星间通信减小了卫星通信设备的体积和重量，减少地面站，最 少可只有一个地面站。这一系列的优势一直得到众多国家的青睐，并积极计划将 这种技术应用于军事和商业。 然而，事物总是一分为二的，尽管卫星光通信具有以上众多的优点，但同 样也面临着挑战，光通信技术还处于初步阶段，还有很多关键技术有待解决，如： 高精度的光束对准：背景光源，如太阳、月亮及行星的干扰；近衍射极限的光学 准直；大气随机信道对光波传输的影响；大容量、远距离、小型、轻便、低功耗 等。其中最为重要的就足远距离、高精度光束的对准，因此，研究p a t 就成为了 卫星无线光通信的一项重要的课题。 1 2 卫星光通信的发展概况 人类对光通信的研究起源于1 8 7 0 年。当时，英国人j t y n d a l l 发现，由于全 反射的作用，光线可以在喷射的水流中传播。经过1 3 0 多年的发展，光通信已经 成为当今社会信息传播最重要、最常用的手段。按照传输介质的不同，光通信系 统可分为光纤通信、自由窄间光通信和水f 光通信。其中自由空间光通信，又称 浙江大学硕士论文 无线光通信，是指以光波为载体，在真空或大气中传递信息的通信技术。又可分 为大气光通信、卫星间光通信和星地光通信n 1 2 1 卫星光通信发展历史 1 8 8 0 年，著名的a 1 e n a n d e rg r a h a mb e l l 通过他的新发明光电话，首次 实现了通信距离为6 0 0 英尺的空间光通信。试验使用两面镜子分别作为发送器和 接收器。声音被转换成镜面的振动，通过反射太阳光耦合到另一面镜子，然后将 接收镜的振动还原成声音。 此后，一战时出现过硅弧光灯作光源、光电池作探测器的光通信机，二战时 改用红外光源。 1 9 6 0 年，美国科学家梅曼发明的世界上第一台红宝石激光器诞生，掀起了处 在大气窗口的空间光通信的研究热潮。但由于受到大气信道的复杂性和元器件技 术的限制，早期的研究进展较慢。 从7 0 年代开始，激光通信有了迅速的发展。1 9 7 1 年，美国提出激光通信计划， 1 9 8 1 年进行了激光通信演示实验；8 0 年代中期到1 9 9 4 年，林肯实验室建起高速星 际激光通信实验系统；1 9 8 8 年喷气推进实验室进行终端系统的性能测试。1 9 8 9 年，欧洲空间局实旋激光星际链路试验s i e l x ( s e m i c o n d u c t o rl a s e r i n t e r s a t e l l i t el i n ke x p e r i e n c e ) 计划。1 9 9 4 年美国弹道导弹防御组织投资开 发1 2g b i t s 高数据率激光通信终端。日本从8 0 年代中期开始星际激光通信研究 工作，1 9 9 5 年成功进行了星地间激光通信实验。1 9 9 8 年a s t r ot e r r a 公司与l u c e n t 两公司对无线光通信系统原型机进行测试，获得成功，链路距离2 5k m ， 2 5 8 b i t s ，是无线光通信系统新的最高记录。 到了本世纪，随着掺铒光纤放大器、波分复用、自适应光学等技术的不断发 展，空间光通信再度成为世界各国的研究热点，并逐渐进入了商用化发展阶段。 未来的卫星光通信的发展趋势1 6 j ： ( 1 ) 光学终端尺寸更小、速度更快和性能更优： ( 2 ) 光学终端升级换代必须满足向下兼容性问题； ( 3 ) 光波长的选择和管理； ( 4 ) 需大力发展单元技术，系统总体结构及两个终端间的非对称通信的优化 浙江大学硕十论文 未来卫星与地面站问激光通信的系统设计，特别是有关减轻大气影响的设计提供 一个较早的评估。另外由美国j p i 。实验室资助，f y l 9 9 8 在为先进外层空间系统发 展计划( a d s s d ) 设计和发展一个光通信子系统。这项研究的目标在于最终能够提 供一种原型设备，它能在外层空间的巨大距离下建立上行和下行的双向链路，并 同时具备广泛的搜索功能。 从1 9 9 5 年起，美国的弹道导弹防御组织( b m d o ) 实施了s t r v 一2 实验计划( s p a c e t e c h n o l o g yr e s e a r c hv e h i c l e2 ) 该项计划的主要目的是演示l e o 卫星与地面站 问的上行和下行激光链路，验证卫星光通信技术的发展情况。s t r v 一2 实验系统中 采用了极化复用通信技术，发射和接收孔径分离，星上终端天线口径为1 6 l l i i ( 发 射) 和1 3 7 硼( 接收) ，地面终端为3 0 5 ( 发射) 和4 0 6 咖( 接收) 。s t r v 一2 设计通信数据 率为5 0 0 m b s 2 ( 星一地) 和1 5 5 m b s 2 ( 地一星) 。t s x 一5 于2 0 0 0 年6 月7 日发射，近地 点轨道高度4 0 3 k m ，远地点轨道高度1 6 8 6 k m ，轨道倾角6 9 0 ，由于t s x 一5 卫星的定 轨和姿态控制精度没有达到预定要求，星上光通信终端无法捕获到地面光通信终 端发射的信标光，s t r v 一2 星地激光链路试验宣告失败。 美国军事侦察局于2 0 0 1 年5 月1 8 日成功地发射了g e o l l t e ( g e o s y n c h r o n o u s l i g h t w e i 曲tt e c h n o l o g ye x p e r i m e n t 一同步轨道轻景技术实验) 高技术演示卫 星。此高技术演示试验卫星g e o l i t e 装有一个激光通信试验终端机及一个u l f 通信 终端，将进行激光通信试验和宽带通信试验。 随着第一代卫星系统( t d r s s ) 投入运行，美国光学空间通信研究进入了一个 新的阶段。针对第一代跟踪数据中续卫星通信带宽不足及结构限制，提出在第二 代中续卫星计划采用星间激光通信的设想，这将大大增加通信容量，提高跟踪天 线测角的精度，明显缩小发射天线的体积，从而提升中续卫星的总体性能。美国 第二代中续卫星考虑在2 0 1 0 年前投入使用。 ( 2 ) 欧洲空间局( e s a ) 一直重视光学空间通信的研究工作。自1 9 7 7 年起，e s a 即开始i s l 的研究。早期欧空局确立了两个研究项目基础技术研究( t r p ) 和高 级系统技术研究( a s t r ) ，进行了大量的基础性概念研究和预研性系统研究工作。 在1 9 8 7 1 9 9 2 年期间实施了有效载荷模拟和实验的p s d e 计划，又在1 9 8 7 1 9 9 5 年进 行了数据中续准备计划( d r p p ) 。1 9 8 9 年起，e s a 又开始实施s i l e x 计划。s i l e x 系统包括两个1 i 行终端，其中高轨道( g e o ) 终端载于欧空局的a r t e m i s 卫星上，低 浙江人学硕上论文 1 2 3 国内空间光通信系统研究现状和进展 我国卫星问光通信研究与欧、美、日相比起步较晚，在我国，星间激光通信 的研究仍处于起步阶段，现已经开展了卫星光通信技术的研究，进行了卫星光通 信系统的计算机模拟仿真分析以及初步的实验室模拟实验研究，在精密跟瞄技术 方面达到了1 0 微弧度，接近激光通信系统对a t p 系统的要求；在激光调制解调技 术方面也具有丰富的经验。近年来，我们在系统总体设计、a t p 技术与系统、背 景光抑制与空间光学滤波器的设计、系统设计的计算机仿真、研究方面取得了一 些突破性进展，关键器件水平己能满足激光通信要求，目前，随着正在进行的卫 星光通信关键技术的研究和卫星光通信技术的不断成熟，我国也将这种通信技术 应用于未来各种卫星组织，以便实现它们相互配合协同工作。 此外，国内一些高校也对激光通信概念进行演示系统的设计和仿真，目前已 完成了对国外研究情况的调研分析，进行了星间光通信系统的计算机模拟分析及 初步的实验室模拟实验研究【2 j ，大量的关键技术研究正在进行，与国外相比虽有 一定的差距，但近些年来在光通信领域也取得了一些显著的成就。 1 3 卫星光通信系统的关键技术 1 瞄准、捕获、跟踪技术 高性能的瞄准、捕获和跟踪技术是实现卫星j f 常通信的重要保障，是卫星光 通信系统的核心技术。在技术实现过程中，非常有必要深入透彻地分析空间飞行 条件，制订切实可行的p a t 方案，同时优化设计，最终实现快速、精确的瞄准、 捕获、跟踪。 2 发射机激光器超高速率调制技术 目前各国空间激光通信实验的通信速率都在1 g b s 以上，而且还在不断提 高，为了增大通信容量，在一些方案中采用同一波长两路旋向相反的圆偏振光同 时传送，从而使通信容量 f | n 甄j 辱生酬 x 浙江人学硕千讵文 沁果制笔引若州 i 莹鼓量耻仔琶萤垣口控相脉冲二刑窒铋削靴莹萄两髫。直1 掣e 崩以步进电袒县有带电j 瑟嘤峪哑曝慝瀑酲酏日月拍扫鄹1 珥醚然裂鞋j 滢罐 强瑶愿坦匾馥啡隈；塑雾恐囊拍积似鹾溜鬈始雏蕤莉羚兰瑟鞘张转碧j 絮嘎 殁孺瑶僻蟛一喙嘴撑憾愿：猎僻i 一煤皑孺浮遵镰呷r 警毒肆簿鞘张始箱他努 疆比礁兆塑翡蝉斗绍。 l ? 蒙罕去尚笛孺锐肄辑蚓嬲来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏1 3 0 度以上，有的甚至高达摄氏2 0 0 度以上， 所以步进电机外表温度在摄氏8 0 一9 0 度完全正常。 2 步进电机的力矩会随转速的升高而下降 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高， 反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率( 或速度) 的增大而相电流减小， 从而导致力矩下降。 3 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸 叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能 够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生 丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动， 脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高 频( 电机转速从低速升到高速) 。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着 不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的 领域得到应用。 2 23 步进电机的运行和驱动原理 步进电机要转起来不像直流电机那样通电了就能转，从上文的步进电机原理 和结构可以看出要使步进电机转起来，就要往电机的线圈绕组中通入依次变化的 电流，这一过程称为脉冲分配【8 1 。要清楚地看出步进电机驱动电流脉冲分配的规 律，先4 所示， x 浙江大学硕士论文 等三个子系统的指令，实现光束的对准和跟踪【_ ”。 对天线方向驱动予系统的要求主要体现在以f 几个方面： ( 1 ) 运动精度。本子系统能否精确地执行来自其它各子系统的指令直接关系 到捕获时间和跟踪精度。 ( 2 ) 天线对准范围。本子系统必须具有足够大的对准范围以保证多方向通信 的要求，以保证天线对准范围应覆盖所有可能的视角。 ( 3 ) 调整速度。吸收卫星振动的影响需要较高的检测调整速度。 文章对p a t 系统的研究点放在捕获系统的粗瞄准扫描这一块，捕获子系统工 作的系统框图如图1 1 所示。 图1 1 捕获子系统丁作框图 一方面，处理系统通过光接收机接收来自光学天线的信号，并把信息送入 粗瞄准、细瞄准和预瞄准。另一方面，粗瞄准，细瞄准和预瞄准把回馈的信息送 入处理系统，由处理系统发出命令驱动万向节带动光学天线按指定方式运动。 1 5 本文主要j e 作 本文研究的课题是基于d s p 控制的两维扫描，即利用d s p 控制步进电机的运转 来完成特定的扫描路径。我的主要工作如下： 浙江大学硕士论文 ( 1 ) 分析和仿真卫星光束扫描路径的优化； ( 2 ) 模拟并实现步进电机驱动硬件模块； ( 3 ) 对电路进行调试和实验数据的采集分析。 论文创新点 在设计应用于星间光通信p a t 系统的步进电机驱动时，研究了在振动环境下 光束矩形扫描和螺旋扫描的捕获概率、捕获时间及重叠度的关系。 浙江大学硕士论寄 篓囊冀囊粪蓁羹囊羹器墓熏鎏鬟霪荔囊羹鬟熏囊囊囊 囊。 秽妻 烈弹争群曼剧萎e 矗。型籍黜斟黠戮黜口轴型! 剧鼋兰= 干耷瞄谚峙蒂誊霉 吏j 翡骋业馥岛j 娶秀欧嚣囊；班廖疋七季。洲k7 丁= 谢打i i | j 甬，吲摹霉| e ；唑捌匿 眇鸯叭甄垦剧錾；醋斡酲驯睨彰毽驵錾到瓢驷业馥瓣x 棼一j o 年冉忻薹肖蓐肇毛篇圳瓢誊争虹昔髫剥藩筝；酝割蛩禽嗯殁搿翟掣会犁 苫，显错摆实验室。此后，各国都纷纷加入到空间光通信的研究行列，主要是日本和欧洲的 一些国家。美国宇航局( n a s a ) 和美国空军是美国研究光通信的两个最主要部门。 n a s a 主要研究g e o g e 0 链路高码率通信和低空链路的低码率通信，其代表系 统是l c d s ( l a s e rc o i i n u n i c a t i o nd e m o n st r a t i o ns y s t e 曲，该系统的技术要求 至少有一个通信端机在太空中，通信码率大于7 5 0 m b s 。从2 0世纪8 0 年代中期到 1 9 9 4 年间，美国空军支持麻省理工学院林肯实验室建立起了高速星问光通信实验 装置l i t e ( l a s e ri n t e r s a t e i t et r a ns m is s j o ne x p e r i e n t ) 。该实验采用 了3 0 w 的半导体激光器和8 英寸口径的望远系统，数据率为2 2 0 mb i t s s ，模拟星 际间通信距离达4 0 0 0 0 k m 。由弹道导弹防御组织和空间与导弹防御司令部共同资 助的s t r v 2 星一地激光通信计划的两个地面实验终端已加工装配成功。计划在低 轨道卫星与固定地面站间建立光链路，斜距离将达到2 0 0 0 k m ，数据率将达到 1 g b i t s 【2 l 。 林肯实验室于上世纪8 0 年代负责美国空间激光通信的研究，开始建立空间激 光通信系统，从事必要部件及系统的开发研究、演示、实验论证。早期的林肯实 验室从事相干光通信的研究，其主要光源是用商用的3 0 m wa 1 g a a s 半导体激光器。 采用外差法成功地实现了终端到终端高码率卫星通信的演示实验，并且演示了空 间捕获和跟踪定位功能。林肯实验室还和n a sa 共同致力于n a s a a c c s 通信卫景演 示系统的研制。以后又成功地进行了s r c，r a d a r 一s s a r 等系统的演示实验， 浙江大学硕士论文 7 步进电机的转速公式为 ”：黑厂：b 可 胪丽i - ，2 q w ( 2 3 ) 式中五为转子齿数，c 为状态系数，采用单、双拍通电时c = 2 ：采用单拍 或双拍通电时c = 1 。 这个公式体现了步进电机在控制定位上的优势，步距角最是由电机的结构 和驱动细分数有关的，也就是在电机和细分都确定的情况下，每个控制脉冲都使 步进电机转过一个步距角馥，因此，在不失步、不丢步的前提下，步进电机能够 定位到步距角最数量级。 8 电机的时间常数如式( 2 4 ) 所示 乙2 斋哮 a ， 式中，为电机空载转速( r m i n ) ，瓦为电机起动转矩 在步进电机从一种状态到另一种状态运行的过程时一个动态的过程，因此， 考虑到惯性系统，电机的转速还受到时间常数的影响 竹= h o ( 1 一p 叫7 。) ( 2 5 ) 2 3 2 步进电机的特点 步进电机之所以广泛应用于各种精密转动场合与它的优点是分不开的【9 l ： 1 定位精确 步进电机的位移量在不失步的情况下与输入脉冲数严格成征比，一般步进电 机的精度为步进角的35 ，且不会引起误差累积。 2 采用开环数控时，装置简单，系统可靠，控制方便。 3 响应速度快。 4 输出扭矩大。 5 自锁能力 当控制脉冲停l r 输入，且让最后个脉冲控制的绕组继续通电，则电机就可 浙江大学硕士论文 图2 4 定转子展开图 如a 相通电，b ，c 相不通电时，由于磁场作用，齿l 与a 对齐，( 转子不 受任何力以下均同) 。 如b 相通电，a ，c 相不通电时，齿2 应与b 对齐，此时转子向右移过1 3 t ，此时齿3 与c 偏移为1 3t ，齿4 与a 偏移( t 一1 3 ( ) = 2 3 - 。 如c 相通电，a ，b 相不通电，齿3 应与c 对齐，此时转子又向右移过1 3 【， 此时齿4 与a 偏移为1 3 【对齐。 如a 相通电，b ，c 相不通电，齿4 与a 对齐，转子又向右移过1 3 ( 这样经过a 、b 、c 、a 分别通电状态，齿4 ( 即齿1 前一齿) 移到a 相，电 机转子向右转过一个齿距，如果不断地按a ，b ，c ，a 通电，电机就每步( 每 脉冲) l 3 ( ，向右旋转。如按a ，c ，b ，a 通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数( 脉冲数) 和频率成一一对应关系。 而方向由导电顺序决定。 同样如两相步进电机的通电顺序为两相四拍，也即 爿+ b + 爿+ b 一一一一b 一一一一曰+ 的顺序给电机的两个线圈通电，如若反相通电则 电机反转。 实际系统中步进电机的运行大多数是连续运行状态，而且经常作启动、制动、 正反转、调速等动作。因而电机的动态特性非常重要。当输入脉冲频率逐渐增加， 电机的转速逐渐 x 浙江大学硕士论文 第3 章步进电机的驱动设计 3 1 引言 用于卫星扫描的步进电机，其首要的考虑因素是重量、体积和寿命，在此基 础上的稳定工作是选择电机种类和型号的基本步骤。本系统要求电机能准确地带 动光学天线按照一定的路径进行扫描，因此对步进电机除了以上的体积、重量的 考虑外，还要求力矩和精度能达到要求。 本章对步进电机选型及与之匹配的控制单元的考虑进行分析比较，驱动的硬 件部分主要有光耦隔离、电源、驱动模块。这些部分共同构成步进电机的驱动， 在波形发生器输入波形进入驱动后，电机就按照预定的角度和转向旋转。 3 2 步进电机驱动方案 在国内，步进电机驱动器是从五十年代开始发展，实际上进入七十年代后 才开始有较大进展至今己有较好的基础和一定的规模。八十年代末开始采用了单 板机控制，控制部件的稳定性、可靠性大为提高，成本也有所下降。但步进电机 及其驱动器仍基本上停留在较低的水平。电动机的理论、设计和制造技术相对较 强，驱动器的发展则是一个薄弱的环节，一方面在我国步进电机的驱动器多采用 传统线路结构，性能落后：另一方面还表现在缺乏驱动器专业生产【l ”。 虽然对于控制器的研究国内起步较晚，运动控制技术为一门多学科交叉的技 术，是一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领 域。如电机技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算 机技术等，运动控制技术是这些技术的有机结合体。但是总体上来说，国内步进 电机的技术已经趋于成熟。 目前国内的步进电机及其驱动的种类比较多，电机就有二四相、三相、五 相等等混合式电机，按体积分又有4 2 型、5 7 型、8 6 型等等；电机对应的驱动器也 有各种规格的细分和接口。 浙江大学硕士论文 3 2 1 步进电机选型及可行性分析 如引言所述，步进电机的种类繁多，其驱动的类型也是各式各样，用于卫星 光通信p a t 系统的步进电机，其精度和转矩都有一定的要求。实验中扫描系统采 用的是俯仰和水平两个轴进行立体的扫描，因此需要两个步进电机进行两维的轴 方向上的旋转，另外由于两相混合式步进电机的齿距角为1 8 。，与要求的精度 相差甚远，因此可以在步进电机的轴上加装减速盘，这样不仅可以把角度细分， 而且其输出的力矩也加倍，选型的过程中可以初步假定以下参数： ( 1 ) 整个光学天线重量2 0 k g ( 包括圆筒架、c c d 、q d 、光学透镜、压电陶瓷及 一些电路板和附件) ，重心距轴最大2 0 岫。 ( 2 ) 在o 1s 内使速度达到最大值( 开环扫描阶段的移动速度为5 0m r a d s ， 闭环调整阶段的移动速度为1 0i i l r a d s ) 并假定为匀加速运动。 ( 3 ) 俯仰运动的回转质量( 即天线质量2 0 妇) 集中于距回转中心2 3 0m 的两 端；水平运动的质量集中于半径为2 0 0 岫圆周上( 天线质量加上控制天线作俯 仰运动系统的重量约2 0 k g ) 。 导出步进电机转矩计算的基本关系可以根据旋转扭矩公式( 3 1 ) 得出 丁一1 2 j 警2 i ( 3 i1 ) 式中，t 表示外部加入步进电机的扭矩，t z 表示步进电机的静力矩，也就是 电机要转起来所需克服的力矩，j 是转动惯量，t g 是旋转力矩。 由假设( 3 ) 可以算出俯仰部分的静力矩t z = 3 9 2 m ，转动惯量为 j = 2 0 $ o 2 3 $ o 2 3 = 1 0 5 8 嵫m 2 ，旋转力矩t g = 0 5 3 m ，减速机输出扭矩 t = t z + l = 4 4 5 卅，设定传动比为1 0 0 ：1 ，效率8 0 ，则步进电机输出扭矩m b 可由式( 3 2 ) 计算： 7 1 上7 1 j ) l 佃：二二l ：0 0 5 5 6 m( 3 2 ) 1 0 0 力 同样方法可以计算出水平部分的各项参数，由于水平方向上静力矩t z 仅为支 承的摩擦力矩，可忽略不计，水平方向的旋转力矩t g = 2 0 o 2 o 2 = o 8 卅， 因此，减速机的输出扭矩t = t g + t z = o 8 研，设定传动比为1 0 0 ：l ，效率 9 5 ，则步进电机输出扭矩可由式( 3 3 ) 计算： 浙江大学硕士论文 坳：竺玉：o 0 0 8 4 ( 3 3 ) l o o ” 实验中要求的p a t 粗瞄准部分的精度为分辨率0 2 m r a d ，最大速度5 0 m r a d s ， 初步选定北京光学仪器厂的m r s l 0 1 型混合式两项步进电机，其参数如表3 1 所 可i ： 表3 ，lm r s l 0 1 参数 台面直分辨率( 6 4传动比 重复定最大速步最大静最大负载自 径细分)位精度度进扭矩重 电 机 6 0 mo o 0 0 3 。9 0 ：1 o 0 l5 0 。s20 4 n 瑚 3 0 k g 1 k 1 8 。 。 相 g 由表3 1 可以把角度折算成弧度，分辩率为5 2 3 u r a d ，重复定位( 回程精度) o 6 ，最大速度8 5 0 叮a d s ，5 0 0 r m ，参数已经满足实验要求。 3 2 2 步进电机电源驱动方式 步进电机工作特性在很大程度上取决与驱动部分的性能，理想的驱动电源应 该是使得步进电机绕组的电流尽量呈矩形波。但是由于绕组本身就是一个大电 感，一般电感值都在1 0 i i l l 以上，波形不可能成为理想的矩形，会在上升和下降 的部分呈现指数曲线。因此驱动方式的选择是十分重要的。 常用的步进电机电源驱动电路主要分为放大型和开关型两种。前者主要有单 电压驱动、高低电压驱动，后者主要有斩波驱动及脉宽调制驱动。 浙江大学硕士论文 控制 臀日 电 机 绕 组 图3 1 单电压驱动 单电压驱动线路如图3 1 所示，结构简单，调试容易，但是能耗大，效率低 对电机的精确控制力不强，因此不适合于卫星光束扫描的电机控制。 图3 2 高低电压驱动 如图3 2 所示的高低电压驱动电路，这种驱动电路可以提高步进电机的绕组 通电失电流波形的前沿，加大启动转矩，提高快速性，功耗较单电压驱动要小。 但是电源供电采用了两个电源，电源部分的重量和体积相对也大了很多，同样也 不适用于卫星通信的电机驱动电路。 浙江大学硕上论文 机具有更小的步距角、更高的分辨率： ( 2 ) 由于电机绕组中的电流变化幅度变小了，所以引起低频振荡的过冲，使 电机运行平稳，能量降低了，即改善了低频性能，减小了开环运动的噪声，提高 了运行稳定度。 ( 3 ) 在数控系统中，加工误差难以提高的原因很大一部分是由于减速箱的存 在，采用细分技术后，可以采用步进电机直接同丝杠相连的形式，这样可以在很 大程度上消除了由减速机构产生的回程误差及爬行等。 ( 4 ) 采用微步驱动时，可以改善步进电机运行的矩频特性，对应的控制频率 也可相应提高。 细分驱动的缺点是在改善了电机性能的同时也大大提高了电路的复杂程度 和成本代价。 两相步进电机的绕组电流可以用向量图来表示，如图3 4 所示，图中只画出 了第一象限的向量，其他象限与之对称，其1 6 个状态表明了绕组电流的一个循 环，即电机转过了一个齿距角( 1 8 。) ，这里齿距角的计算通过式子( 2 1 ) 可以计算 出来，齿数为5 0 齿，拍数为四拍。 厌 一冬3 w 缭 b 1b 2 b j v 1 图3 4 细分矢量化转矩图 从上述原理拓展，可知如果为保证合力矩恒定，a ，b 两相的电流变化值应 该分别为l ：，c o s 岛，c o s 睦，c o s 岛； ，日：，s i n q ，s n b ，s i n 岛 2 4 浙江大学硕上论文 实现细分的方法目前主要有3 种，叠加法，脉宽调制法和微机控制法。第一 种主要是把等宽等频的方波直接叠加得到细分所用的阶梯波。脉宽调制法是用脉 宽调制的p w m 波控制各相绕组中的细分驱动电流。由于在实现步进电机细分控制 的过程中，脉冲产生电路及脉冲分配电路等在采用分立元件实现起来较为复杂， 随着微型计算机的发展，由于微机具有很强的数字信号处理能力，这些原来很复 杂的部分在用微机实现时就变得很自然而且很简单。 利用微机实现细分的优点是可以很容易地实现步进电机的可变细分控制、正 反转控制及加减速控制，而且电路简单，性能稳定可靠。其缺点是由于单片微机 运行速度的限制，其频率不可能做的太高。但是它仍然是目前步进电机细分技术 的一种主要发展方向 3 3 驱动硬件设计 实验中步进电机驱动所用的硬件主要由光电耦合模块、电机电源模块和电机 的驱动模块构成，下文也按此顺序进行阐述。 3 3 1 光耦隔离模块 光电耦合器示由发光器件和光电器件所组成的器件的统称。由于电信号是通 过光束来进行耦合的，所以光耦的输出端对输入端无反馈作用，信号只能单向传 递。也就是说，光电器件的输出不会影响发光器件，因此，光耦可以十分理想地 完成系统隔离、电平隔离、电路接口以及长距离信息传输等多种功能。在本实验 系统中，由于采用了d s p 作为产生驱动波形的发生器及控制器，在与电机驱动模 块的连接上就有一个保护隔离的问题，光电耦合器的应用使的步进电机驱动模块 的大电流不会影响到输入端也就是d s p 的i 0 输出口。 光电耦合器的主要参数和特性： ( 1 ) 电流传输比c t r 在直流工作状态下，光电耦合器输出的光电流，与发光二级管的正向工作电 流，之比，定义为光电耦合器的电流传输比，用符号c t r 表示。即 浙江大学硕士论文 c 豫：生。1 0 0 ( 3 4 ) ，f 影响c t r 的因素很多，例如结构、光耦合媒质与方法、以及使用时间等 等。如图3 5 所示，随着，。的增大，传输比有一个最佳值。 l o 一 薹8 芝 差 凄 至 芒 芒 04 0 。 2 7 ii l l 。= 4 j ，ja - j( c 。o 一”4 。 、 j、l jf 。r j、 ， 厂、l ，r0 。、。 j。， 1 1 |， 、 rj， 、 i | i | l u 1 f l 飞 r 0 ll1 0l u u f 甜w a i dc u 拉既| if m a ) 阁3 5c t r 与输入电流 ( 2 ) 响应特性 由于光电耦合器件是由功能绝然相反的分立元件组成，在开关时间的表示e 与分立元件也存在这一定的差别。从图3 6 中可以看出，输出波形与输入波形在 相位上相差了1 8 0 0 ，也就是说在设计脉冲驱动的时候要预先进行反相设计，还有 就是输出波形在外形上和输入波形有一定的出入，即上升和下降沿有畸变。 ( 3 ) 绝缘耐压圪 一 n 协誊 jl 【 图3 6 响应特性图 浙江大学硕士论文 光电耦合器的另一个重要参数是输入一输出问的绝缘耐压矿，一般情况下， 光电耦合器的为5 0 0 v ，因此在实验低压的情况下可以满足要求。绝缘耐压圪与 电流传输比一样，与发光和受光器件之间的距离有关，某些特殊的组装，k 可以 达到上万伏。 考虑到实验的应用场合，如若采用光敏二极管型耦合器，响应速度快而且线 性也很好，但是，电流传输比很小，在小信号使用不太适合。因此，组合光敏管 型( 光敏二级管加三级管或达林顿管) 是一种比较理想的光电耦合器，它既有光 敏二级管的高速响应和良好的线性，又有较大的电流传输比，对于实验系统来说 是一种很好的选择。 实验中采用光电耦合集成模块6 n 1 3 9 ，其应用电路如图3 7 所示。 壶夕 ； v c c 图3 7 光电耦合器应用电路 这里要注意到接地的不同，输入的接地端不能和输出的接地端连接在一起。 3 3 2 电机电源模块 电机的供电要求+ 5 v ，+ 1 5 v ，+ 2 5 v ，因此采用可调式的稳压电路比较合适， 实验选用了稳压模块l m 3 1 7 ，它的输出范围从1 2 v 到3 7 v 可调，最大输出负载 电流1 5 a ，它组成的外围应用电路如图3 8 所示，电容c l 可以减少输出电压纹 波，d z 2 可以使c l 的电荷在输出端短路时泄放掉，从而保护了稳压器件。c 2 采 用钽电容，可避免输出电压出现自激励振荡。d z l 町防止输入端短路时c 2 的电 浙江大学硕士论文 荷侧灌进稳压器件中。 图3 8 供电电路 调节b 的值可调节输出电压，输出的电压计算式为 k = 1 2 5 ( 1 + 心置) ( 3 5 ) 3 3 3 电机驱动模块 要使步进电机实现扫描的动作，需要控制步进电机实现起动、停止、正转、 反转的动作，在d s p 的反馈控制中还要求控制步进电机的转速。因此，实验选用 d s p 控制的带斩波细分的脉宽调制驱动。 实现步进电机的启停可以较容易地实现，只要输入的驱动信号关闭，在步进 电机电源仍然开通的情况下，电机会对任何方向的转动产生很大的反向扭距，从 而电机停止。 由前面的步进电机的工作原理可知，要实现步进电机的正转反转，就要使电 机绕组的通电顺序反向。在硬件上实现这助能的电路就是h 桥，其名称是根据 电路的外观而来，如图3 9 所示，i 桥由4 个大功率m o s 管或者达林顿管构成， 图中4 个快速二级管是用来泄放绕组电流的保护二级管。工作的时候，v d l 、v d 4 导通，v d 2 、v d 3 截止，电流自左向右流过绕组；v d l 、v d 4 截止，v d 2 、v d 3 导通， 浙江大学硕士论文 电流自右向左流过绕组。因此，只要控制四个功率管栅极的电压值来开关h 桥的 电流顺序，从而达到改变步进电机转向的目的。 图3 9h 桥原理图 步进电机驱动的斩波部分的电路原理图如图3 3 所示，这部分的工作原理是 通过比较器比较采样电阻上的电压值，从而控制当绕组电流小于峰值电流时，使 绕组通电电路导通，电流上升：当电流上升到峰值电流使，通电电路关闭，电流 下降，这样多次的开断，可以使电流波峰维持在额定值附近，目的是使转子由一 个平衡位置向另一个平衡位置运动的过程中保证有合适的转矩。下图3 1 0 是在 p s p i c e 软件环境下仿真斩波的波形图。 图3 1 0 斩波波形仿真图 从图3 1 0 可以看出，在每个电流波峰的峰值部分都被类似锯齿形的斩波分 浙江大学硕士论文 成若干份，斩波使得电流稳定在峰值电流附近，其衰减的时间常数由电路的电容 电阻乘积值决定。 结合h 桥和斩波驱动，实验选用集成芯片作为电路的基本驱动模块，目前市 场上的步进电机的集成芯片种类繁多，功能也各具特色，根据实验的各项指标要 求和驱动脉冲的发生器件，选用了p b l 3 7 1 7 a ，它是一款步进电动机单相绕组的 驱动电路，内部采用的是h 桥脉宽调制电路。利用外部逻辑电路构成的逻辑分配 器或微处理器分配信号，由若干片这种电路和少量无源元件可组成一个完整的多 相步进电动机驱动程序，可实现整步( 基本步距) 、半步或微步距控制。控制方 式是双极性、固定0 f f ( 关断) 时间的斩波电流控制。下面简要介绍一下p b l 3 7 1 7 a 的各引脚功能和工作原理，其应用电路图如图3 “所示。 m a t 甜 圈3 1 13 7 1 7 应用电路躅 1 脚( o u t p u tb ) 和1 5 脚( o u t p u ta ) 是模拟量输出外接电机绕组，可以在 其中加入串连电阻电感进行滤波：2 脚( p u l s et i m e ) 外接r c 网络，用于决定固定 的t o f f 时间：3 脚和1 4 脚( v s ) 是绕组线圈供电电源，可在1 0 4 6 v 的范围内选择； 浙江大学硕士论文 4 、5 、1 2 、1 3 脚( g n d ) 可接至热片：7 、9 脚( i n p u t1 ，i n p u t0 ) 用于选择绕组 线圈电流，这个是3 7 1 7 内部细分所用的输入口；8 脚( p h a s e ) 为相位输入端，用 于控制转动方向：1 0 脚( c o m p a r a t o ri n p u t ) 与内部电压比较器的基准电压进行 比较；l l 脚( r e f e r e n c e ) 外接采样电阻r s ，改变r e f e r e n c e 可实现微步距控制， 例如用1 片单片机和2 片d a c 0 8 0 88 b i td a 转换电路即可实现2 5 6 细分控制。在整 步、半步、1 4 步工作方式下，r e f e r e n c e 接固定的+ 5 v 。： i n p u tl 、i n p u to ( 图中简写为1 1 、i o ) 为输入端，o u t p u ta 、0 u t p u tb ( 图中以a o u t 、b o u t 表示) 为输出端。因为本节暂不考虑细分的情况，所以可 以把图中的v r ( 1 l 引脚) 直接接+ 5 v 电源。 p h a s e 的作用是控制步迸电动机定子绕组中电流的方向，也就是对h 桥的运 用，h 桥可以清楚地在图3 1 1 的右上角看出，h 桥的原理上文也己经提到过，这 里不在赘述。 p b l 3 7 1 7 a 对步距的控制是通过选择1 1 、1 0 的不同组合，从而控制绕组电流， 达到步距控制的目的。电流的具体数值由参考电压v r 和采样电阻r s 决定。计算 公式( 3 6 ) 如下： ，= 艘c r v r 3 r ( 3 6 ) 式中s r c r 表示每一步对应电流的百分比，由此，当电机四细分时，需要1 6 种状 态、3 种电流级别所构成的阶梯波，对于3 7 1 7 应用电路来说，可以通过i l 、1 0 的4 种状态来选择电流级别，通过比较器前的串连电阻( 6 k q ，2 2 3 q ，2 2 3 q ， 1 0 5 q ) 的分压比，可以计算出下面三种电流级别下的峰值电流： 1 0 0 级别即i o 为o o 时，i i i l = ( v r $ o 0 8 3 ) r s ； 6 0 级别即i o l l 为0 1 时，i m = ( v r o 0 5 0 ) r s ； 2 0 级别即1 0 1 1 为1 0 时， i m = ( v r $ o 0 1 6 ) r s 。 由前文所述，3 7 1 7 内部带有最大4 细分的电流输入控制口i l 、i o ，因此， 对于具体的应用电路来浼，实现整步到四细分的电流激励有如下三种方式： ( 1 ) 基本步距( 整步) 工作方式 可用二相激励四拍方式，即a + b + 一a + b a b a b + 实现，也可用单相激励 四拍方式，即a b a b 实现。a + 表示a 相绕组1 0 0 电流级别，正向通电； o 2 b 一表示b 相绕组2 0 电流级别，反向通电。如不作说明，下面的标记意思 浙江人学硕士论文 亦如此法。 ( 2 ) 半步距工作方式 半步距方式采用二相，单相交替激励的二相八拍方式，即 a b b a b a a b b a b a ，这种工作方式是两相激励和单相激励交替出现， 每一找不到的转距不相等。在二相激励时的转距是单相的1 4 倍，这是因为二相 激励时的转距是单相激励时转距的矢量合成。如果两相激励时，采用1 1 i o = 0 1 方式，使电流降到6 0 ，由于磁路原先有饱和效应，此时每相转距可能增大到7 0 左右，两相合成的转距接近于1 。这样电机就可以近似实现恒转距运行。 ( 3 ) 1 4 步距工作方式 为了实现l 4 步距工作方式，要在整步与半步问插入一个1 4 步的状态( 如 图3 4 ) 。例如上方的1 4 步状态，a 相绕组取1 0 0 电流，b 相绕组取2 0 电流。 在第一象限由半步a 状态到半步b 状态要经过4 步，即a a o 2 b a b