空间机构用高速步进电机驱动电路及其控制方法与流程

本发明涉及空间机构驱动控制技术领域，特别涉及一种空间机构用高速步进电机驱动电路及其控制方法。

背景技术：

目前，具有转动指向功能的运动机构是空间飞行器的重要组成部分，部分机构需实现快速运动，如入轨后太阳帆板有源展开，天线有源展开等，同时为不断提高载干比，轻量化小型化的步进电机应用越来越广泛，小型化电机为实现力矩放大往往采用了较高的减速比需电机高速运动，因此，在空间机构驱动控制方面，为满足快速响应及轻量应用，步进电机高速驱动需求日益增长。

在空间环境下，为满足长寿命高可靠应用，需采用宇航级器件，而目前能够满足步进电机高速驱动控制集成芯片主要为商业级，对步进电机高速驱动部分已经固化为ip核，仅通过对集成芯片简单外围设计及寄存器读写即可完成步进电机高速驱动，此外高集成芯片热耗集中难以适应空间机构长寿命高可靠性应用需求。

另外，目前空间用步进电机均为低速运动模式，直接采用该方法进行参数调整后驱动步进电机高速运动往往造成电机无法启动或启动中失步停止。因此，需结合目前空间机构驱动技术，进行空间机构用高速步进电机驱动控制方法研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种空间机构用高速步进电机驱动电路及其控制方法，以解决驱动步进电机高速运动造成电机无法启动或启动中失步停止的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种空间机构用高速步进电机驱动电路，四片n沟道mosfet组成单相绕道驱动h桥电路，每个所述mosfet直接控制所述h桥电路开断状态。

进一步地，四片所述n沟道mosfet器件型号规格一致。

进一步地，采用高速反熔丝fpga器件产生驱动控制信号，每个mosfet分别对应一路信号。

本发明还提供一种空间机构用高速步进电机驱动电路的控制方法，当绕组电流处于正向增加阶段，通过左上桥臂和右下桥臂同时打开实现电流正向传递；当绕组电流处于正向递减阶段，通过右上桥臂打开实现绕组电流流向电源源端快速减少；当绕组电流处于反向增加阶段，通过左下桥臂和右上桥臂同时打开实现电流反向传递；当绕组电流处于反向递减阶段，通过左上桥臂打开实现绕组电流流向电源源端快速减少。

进一步地，当同一侧桥臂，下桥臂关断上桥臂打开时，采用具有不小于1mhz开关频率的mosfet组成h桥电路，在下桥臂关断与上桥臂打开之间设置1～5us的死区时间。

进一步地，采用46khz的开关控制信号，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。

进一步地，在启动阶段采用变频加速启动，采用正弦加速曲线。

本发明提供的空间机构用高速步进电机驱动电路，在驱动控制电路方面采用了分立式架构，达到了良好的散热效应。采用的分立器件均具有宇航记等级，能很好满足空间环境。

本发明提供的空间机构用高速步进电机驱动电路的控制方法，采取了合理的组合逻辑，通过合理的开关逻辑、高频的驱动波形、正弦曲线加速方式保证了电机绕组电流的快速变化，实现了步进电机高速运动，同时，通过设置死区时间保证了在高速运动时的可靠安全性。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1为本发明实施例一提供的采用高速反熔丝fpga器件产生驱动控制信号的电路原理结构框图；

图2为本发明实施例一提供的步进电机高速运动原理示意图；

图3为本发明实施例一提供的空间高速步进电机驱动控制方法的原理示意图；

图3a为本发明实施例一提供的对应图3的正向电流时序逻辑示意图；

图3b为本发明实施例一提供的对应图3的反向电流时序逻辑示意图；

图4为本发明实施例一提供的空间机构用高速步进电机变频加速启动示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的空间机构用高速步进电机驱动电路及其控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，本发明提供的空间机构用高速步进电机驱动电路，在驱动控制电路方面采用了分立式架构，达到了良好的散热效应。采用的分立器件均具有宇航记等级，能很好满足空间环境。本发明提供的空间机构用高速步进电机驱动电路的控制方法，采取了合理的组合逻辑，通过合理的开关逻辑、高频的驱动波形、正弦曲线加速方式保证了电机绕组电流的快速变化，实现了步进电机高速运动，同时，通过设置死区时间保证了在高速运动时的可靠安全性。

图1为本发明实施例一提供的采用高速反熔丝fpga器件产生驱动控制信号的电路原理结构框图。参照图1，本发明提供一种空间机构用高速步进电机驱动电路，四片n沟道mosfet组成单相绕道驱动h桥电路，每个所述mosfet直接控制所述h桥电路开断状态。采用高速反熔丝fpga器件产生驱动控制信号，每个mosfet分别对应一路信号。在本发明实施例一中，由fpga控制单元11产生高速并行控制信号，经信号放大后分别完成步进电机a绕组、b绕组驱动电路h桥mosfet器件的开断控制。

图2为本发明实施例一提供的步进电机高速运动原理示意图。参照图2，图2中t为电机绕组电流变化周期，该周期与电机转动速度成正比关系，v＝(4×θ)/t，其中θ为步进电机步距角，该值为固定值，因此电机转动速度要求越高，则t值需越小，则对应的图中δt值越小，即电机绕组电流需快速发生变化，而由于电机绕组为感性负载，感性负载具有阻止电流变化的特性，电机绕组电流从最高降为最低时电机感性负载绕组需δt，当控制δt＜δt时，控制电流变化速度大于绕组特有的泄放时间时，在未对电机绕组电流做闭环控制情况下，电机会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。

图3为本发明实施例一提供的空间高速步进电机驱动控制方法的原理及时序逻辑示意图；图3a为本发明实施例一提供的对应图3的正向电流时序逻辑示意图；图3b为本发明实施例一提供的对应图3的反向电流时序逻辑示意图。参照图3、图3a以及图3b，步进电机高速驱动控制逻辑如下：当绕组电流处于正向增加阶段，通过左上桥臂和右下桥臂同时打开实现电流正向传递，当绕组电流处于正向递减阶段，通过右上桥臂打开实现绕组电流流向电源源端快速减少；当绕组电流处于反向增加阶段，通过左下桥臂和右上桥臂同时打开实现电流反向传递，当绕组电流处于反向递减阶段，通过左上桥臂打开实现绕组电流流向电源源端快速减少。同时为满足高速运动情况下电流的快速变化响应，采用了46khz的开关控制信号，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，实现电机电流快速连续的变化。

当同一侧桥臂，下桥臂关断上桥臂打开时，为避免同一侧桥臂直通造成对地短路，采用了具有不小于1mhz开关频率的mosfet组成h桥电路，在下桥臂关断与上桥臂打开之间设置1～5us的死区时间。

图4为本发明实施例一提供的空间机构用高速步进电机变频加速启动示意图。参照图4，在步进电机高速运动时，若直接控制电机高速转动，则由于电机运动频率无法匹配控制频率导致失步停转，因此在高速转动时，通过如图所示正弦加速曲线，实现1s内电机从停转到高速转动的快速变频启动，经测试可在1s内实现从0增加至2700。

本发明提供的空间机构用高速步进电机驱动电路的控制方法所述快速续流抑制技术通过控制桥式电路mosfet开关逻辑状态、采用高速并行控制信号、采用合理驱动波形特性、采用快速的变频启动曲线等方法实现绕组电流快速增加抑制，提高绕组电流的变化率δi/δt，从而实现步进电机高速运动时绕组电流快速变化响应。本发明有效的解决了空间机构在步进电机高速驱动控制技术，具有可靠性高、易于实现的优点。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。