一种多通道步进电机驱动复用控制电路制造技术

一种多通道步进电机驱动复用控制方法，利用快恢复整流二极管代替传统功率继电器，进行步进电机各相防串电以及续流设计，大大减少了体积重量，并能有效降低驱动电路成本。空间光学遥感器电路设计以简单、实用为原则，追求的是高可靠性、足够的安全裕度、抗辐照等空间环境指标。为降低遥感器运行功耗，本发明专利技术突破传统恒流驱动方案，通过高频脉宽调制(PWM)方式达到电流档位的控制，可按运行需求进行电流精细化调节，实现了多档力矩灵活调整功能，同时也可实现电机单相弱电流锁定功能，有效降低相机分系统发射功耗，提高遥感器在轨运行的可靠性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种多通道步进电机驱动复用控制电路


[0001]本专利技术涉及一种多通道步进电机驱动复用控制电路，属于航空、航天器的控制


技术介绍

[0002]在空间光学遥感器
，步进电机广泛地应用于各类光学载荷的活动机构中，如调焦机构、黑体定标机构、旋转滤光轮、光路切换机构、机械锁机构等，并且随着光学遥感器探测谱段的扩展，配套的步进电机使用数量也随之增加，需要对大规模步进电机进行驱动控制。步进电机的驱动控制中，步进电机和驱动电路大都是一一对应关系，即一台驱动器只能驱动一台电机，针对可以分时复用的多台电机驱动控制，这就造成了资源和成本上的浪费。
[0003]目前步进电机驱动复用的设计有两个特点，一是通过功率继电器作为驱动电路和负载步进电机之间的切换器件，另一个是通过较为复杂的电路实现步进电机恒流驱动设计。
[0004]针对功率继电器的使用，需要额外的切换指令，增加电路规模，占用相机分系统资源，而且继电器的使用增加了驱动电路的体积和重量。另外为满足空间使用继电器触点电流降额可靠性要求，继电器往往需要串并联设计，随着步进电机规模的增加，这种驱动复用设计会大幅度增加驱动电路的规模，提高空间光学遥感器的成本。此外，在机构的运行过程中，功率继电器的触点切换可能带来电火花等问题，影响控制器性能安全，并且触点切换次数限制也会影响光学遥感器的使用寿命。
[0005]步进电机恒流驱动设计一般需要利用精密电阻采样，信号滤波后再与参考输入电压进行比较，反馈给驱动器件，系统链路较为复杂。而且参考输入电压的数值，一般是通过精密电阻进行分压，根据步进电机对应的额定电流进行设置，实现单一额定电流的恒流驱动设计。然而为了节省遥感器发射、在轨运行阶段的功耗，往往需要根据需求改变步进电机的锁定以及运行电流大小，实现光学载荷活动机构驱动力矩的灵活调整，现有额定电流下的恒流驱动设计难以满足要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多通道步进电机驱动复用控制电路，利用快恢复整流二极管代替传统功率继电器，进行步进电机各相防串电以及续流设计，大大减少了体积重量，并能有效降低驱动电路成本。空间光学遥感器电路设计以简单、实用为原则，追求的是高可靠性、足够的安全裕度、抗辐照等空间环境指标。为降低遥感器运行功耗，本专利技术突破传统恒流驱动方案，通过高频脉宽调制(PWM)方式达到电流档位的控制，可按运行需求进行电流精细化调节，实现了多档力矩灵活调整功能，同时也可实现电机单相弱电流锁定功能，有效降低相机分系统发射功耗，提高遥感器在轨运行的可靠性。
[0007]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：
[0008]一种多通道步进电机驱动复用控制电路，包括FPGA、复用驱动电路，以及数量相等的选通开关和防串电电路，且选通开关与防串电电路成对一一对应，每对选通开关与防串电电路最多对应一个步进电机；
[0009]电源正端输出的能量经过选通开关后、防串电电路、复用驱动电路后到达电源负端；FPGA用于控制选通开关的通断，且通过复用驱动电路控制步进电机中绕组的通电与断电；
[0010]复用驱动电路的路数不少于步进电机中绕组的路数；
[0011]防串电电路采用整流二极管与步进电机的绕组并联，用于绕组相电流续流；同时采用整流二极管与步进电机的绕组串联，用于防止串电。
[0012]优选的，根据步进电机的参数，确定FPGA控制信号的频率和占空比。
[0013]优选的，选通开关包括多路，每路对应步进电机的一相绕组，每路包括MOS管、上拉电阻、栅极电阻；MOS管作为开关使用，FPGA输出的控制信号通过上拉电阻到达MOS管的源极，通过栅极电阻到达MOS管的栅极；电源正端与MOS管的源极连接，MOS管的漏极与防串电电路连接。
[0014]优选的，防串电电路中，每个步进电机的每相绕组均并联一个独立的整流二极管，且每相绕组均串联一个独立的整流二极管。
[0015]优选的，复用驱动电路包括多路，每路包括MOS管、瞬态电压抑制二极管、栅极电阻、栅源极电阻；MOS管作为开关使用，瞬态电压抑制二极管的两端接MOS管的源极和漏极，FPGA输出的控制信号通过栅极电阻与MOS管的栅极连接，栅源极电阻的两端接MOS管的栅极和源极；MOS管的源极接地。
[0016]优选的，还包括OC门电路，FPGA输出的控制信号通过OC门电路控制选通开关。
[0017]优选的，选通开关中每个MOS管的最大漏极持续电流均高于电源输出的最大电流。
[0018]优选的，防串电电路中的每个整流二极管的正向导通电流高于电机的额定电流，反向电压耐电值大于电源的额定电压。
[0019]优选的，复用驱动电路中的每个MOS管的最大漏极持续电流均高于电机额定相电流。
[0020]优选的，FPGA控制信号的频率为：
[0021][0022]I
+
和I
‑
为控制的上限和下限电流值，I0为目标稳态电流，U为功率电压，R为绕组的电阻，L为绕组的电感；
[0023]FPGA控制信号的占空比为：
[0024][0025]Δt为电流的上升时间，t为电流变化周期。
[0026]本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：
[0027](1)本专利技术通过快恢复整流二极管进行电机各相绕组防串电和续流设计，相比功率继电器，不需要额外的切换指令生成电路，同时降低分系统资源需求，并有效的减小了驱
动电路的体积和重量，随着复用电机数量的增加，效果尤为明显。此外，不存在功率继电器的触点在运行过程中切换可能带来的电火花等问题，提升了安全性能。
[0028](2)本专利技术通过高频PWM方式实现电流精细化调节，可进行多档力矩灵活调整，同时相比传统单一额定电流的恒流驱动，可降低遥感器发射、在轨运行阶段的功耗。
[0029](3)本专利技术主要通过MOSFET、二极管器件实现，驱动电路设计更为简单，相比传统设计成本低，而且抗单粒子、电子辐射、抗辐射等性能较好，可靠性更高。
附图说明
[0030]图1为本专利技术实施流程图；
[0031]图2为复用步进电机驱动控制器的结构示意图；
[0032]图3为三台复用步进电机驱动控制器实例的电路示意图；
[0033]图4为三台复用步进电机驱动控制器实例的电路原理图。
具体实施方式
[0034]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。
[0035]一种多通道步进电机驱动复用控制电路，包括如下几部分：
[0036]1、确定供配电能力，选取合适的选通开关MOSFET型号规格；
[0037]所述的选通开关包括MOS管Q1、电阻R2、电阻R5，连接关系如下：
[0038]R2的一端接电源的功率正端并和Q1源极相连，R2的另一端接U1的输出端并和R5的一端相连，R5的另一端连至Q1的栅极。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多通道步进电机驱动复用控制电路，其特征在于，包括FPGA、复用驱动电路，以及数量相等的选通开关和防串电电路，且选通开关与防串电电路成对一一对应，每对选通开关与防串电电路最多对应一个步进电机；电源正端输出的能量经过选通开关后、防串电电路、复用驱动电路后到达电源负端；FPGA用于控制选通开关的通断，且通过复用驱动电路控制步进电机中绕组的通电与断电；复用驱动电路的路数不少于步进电机中绕组的路数；防串电电路采用整流二极管与步进电机的绕组并联，用于绕组相电流续流；同时采用整流二极管与步进电机的绕组串联，用于防止串电。2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，根据步进电机的参数，确定FPGA控制信号的频率和占空比。3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，选通开关包括多路，每路对应步进电机的一相绕组，每路包括MOS管、上拉电阻、栅极电阻；MOS管作为开关使用，FPGA输出的控制信号通过上拉电阻到达MOS管的源极，通过栅极电阻到达MOS管的栅极；电源正端与MOS管的源极连接，MOS管的漏极与防串电电路连接。4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，防串电电路中，每个步进电机的每相绕组均并联一个独立的整流二极管，且每相绕组均串联一个独立的整流二极管。5.根据权利要求1所述的控制电路，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，康建兵，刘欢，李寅龙，史翠红，林喆，张晓敏，梁凤超，谭爽，陈子印，车明朔，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：