交叉重组方法在帆板驱动线路中的应用研究

张兴国, 周世安,雷海军,李 庆,范松涛

（北京控制工程研究所 北京 100190）

交叉重组方法在帆板驱动线路中的应用研究

张兴国, 周世安,雷海军,李 庆,范松涛

（北京控制工程研究所 北京 100190）

帆板驱动线路（SADE: Solar Array Drive Electronics）和电机绕组的连接通常是固定的，即驱动线路的主备份分别连接电机绕组的主备份。原理上看，主备份线路是相互独立的，但考虑主备份电机绕组是并绕模式，工作的电机绕组会通过电磁耦合施加电应力到非工作线路，从而对非通电器件产生应力冲击，影响整机性能。本文通过在驱动线路和绕组间引入交叉重组设计，解决了主备份驱动线路之间的耦合影响，大大提高了可靠性。

帆板驱动线路；电磁耦合；交叉重组；可靠性

为了提高太阳电池阵的发电效率，越来越多的航天器安装了帆板驱动装置（SADA: Solar Array Drive Assembly），以驱动太阳帆板使之对日定向[1]，SADA的驱动源主要采用步进电动机[5]，电机绕组由主备份构成，电机驱动线路也由主备两个系统构成，电机驱动线路和电机绕组的连接通常是固定的，即驱动线路的主备份分别接在电机绕组的主备份。从原理上看，主备份线路是相互独立的。但考虑到主备份电机绕组通过电机的电磁耦合作用，工作线路会通过电机绕组影响到非工作线路。为从根本上解决主备份线路间的影响并简化驱动线路的设计，提出了驱动线路和电机绕组交叉重组设计方法，其优点是既保证了主备份线路间的最大隔离、实现真正的冷备份目标，同时保证在任一单份线路故障和任一单份绕组断路故障同时出现时仍能使电机正常工作，提高了系统的可靠性。

1 驱动线路功能简介

本文介绍的帆板驱动线路是应用于双轴帆板驱动装置（A轴和B轴），即同时驱动两个步进电机转动，A、B轴都采用二相电机，每台电机的绕组均有主备份，每相绕组2根引出线，共8根引出线。整个驱动线路由二次电源模块、控制线路、驱动线路和切换线路组成，控制线路是以80C32为核心的单片机系统，通过串行通讯口接收上位机发送的控制命令，控制驱动线路输出电机绕组电流信号，使驱动机构工作在不同的工作模式下，同时采集电机A轴和B轴零位信号，实时计算电机转角，另外还具有遥测电机绕组电流、机构轴温和壳温等遥测量功能，通过串口通讯发送到上位机。

如图1所示，为保证卫星高可靠的应用需求，整个线路由主、备份两个相同系统组成，使用主份线路还是备份线路，是由切换板根据主备份系统的一次电源加电状态自动切换，驱动线路连接电机主份绕组还是连接备份绕组，也由切换板根据上位机发送的绕组切换指令控制。

2 驱动线路和电机绕组交叉重组设计

以往的电机驱动线路和电机绕组的连接是固定的，即驱动线路的主备份分别接在电机绕组的主备份，原理上看，主备份线路是相互独立的。但由于主备份电机绕组是并绕模式，工作的电机绕组会通过电磁耦合施加电应力到非工作线路，从而对非通电器件产生应力冲击，另外，单份线路输出接口处的器件失效，可能导致另一份也不能正常工作，使整机性能下降甚至失效，主备份达不到冗余设计目的。

图1 系统组成框图Fig. 1 System block diagram

图2 切换板原理框图Fig. 2 Switching circuit diagram

为从根本上解决主备份线路间的影响并简化驱动线路的设计，提出了驱动线路和电机绕组交叉重组的设计方法，在保留两套相对独立的主备份驱动线路的同时，增加切换线路，如图2所示，在每路驱动输出通路上设置前后两组继电器，使驱动线路主备份和电机绕组负载主备份连接均可控制，保证非工作的驱动线路和非工作的电机绕组经继电器隔离，不受工作绕组的电流影响，解决了主备份驱动线路之间的耦合影响，保证了电机平稳运转。根据主备份线路一次电源上电情况决定将电机绕组接在主份驱动线路还是备份驱动线路，绕组主备份切换是根据上位机控制单元的命令决定使用主份电机绕组还是备份电机绕组。

图3 切换线路连接图Fig. 3 Switching circuit connection diagram

采用这种交叉重组方式彻底解决了主备份线路间耦合的影响，并且通过切换控制，使帆板驱动线路驱动电机绕组工作具有4种驱动模式：主份线路驱动主份电机绕组、主份线路驱动备份电机绕组、备份线路驱动主份电机绕组、备份线路驱动备份电机绕组，在任一单份驱动线路故障和任一单份电机绕组断路故障同时出现时,仍能保证电机正常工作，从而大大提高产品可靠性。

驱动线路本身已采用主备两个系统冗余设计，因而切换线路的可靠性直接影响整个系统的可靠运行，为保证切换线路的可靠，设计时将每个绕组的每端由两个继电器并联切换，绕组两端的切换采用一个指令控制保证同时切换，每个绕组两端的切换不在同一个继电器上。如图3所示，通过对切换线路矩阵设计，保证在任意一个继电器出现故障时对切换功能没有影响，从而保证整个系统的可靠性。

为保证A、B轴电机驱动的一致性，A、B轴电机的绕组主备切换采用同步进行，即A轴电机切用备份绕组，B轴电机同步也切用备份绕组，因而控制电机主备份绕组切换的所有继电器线包可分2组驱动，由于主备份驱动线路切换只受一次电源加断电状态控制，所以控制驱动线路主备份切换的所有继电器线包也只分2组驱动。为保证可靠性工作，每组线包驱动线路都采用2套并联[6]，如图4所示。

图4 继电器驱动线路Fig. 4 Relay drive circuit

继电器驱动线路的指令输入采用微分隔直处理，微分线路时间常数 T≈4.7 μF×10 kΩ=47 ms，远大于继电器（设计选用TL26PF70YS）的最大动作时间2 ms。

考虑到继电器TL26PF70YS的最小动作时间可以达到600 μs、比较灵敏，为防止驱动线路输入端可能出现的干扰造成继电器误动作，线路增加了抗干扰滤波设计（电容C11～C14）。假定干扰脉冲为幅度5 V、宽度1 ms的信号，干扰不会造成继电器误动作的条件是：

所以选用两个0.47 μF电容串联可以满足抗干扰要求，同时要求指令宽度大于10 ms，以保证切换可靠。

3 结 论

通过在帆板驱动线路和电机绕组间的交叉重组设计，使得主备份驱动线路间进行了最大隔离，保证系统可靠性运行，实现真正的冷备份冗余设计。同时保证在任一单份线路故障和任一单份绕组断路故障时仍能使电机正常工作，从而大大提高了可靠性，本电路设计对同类线路设计具有很好的参考价值。

[1] 陆栋宁,刘一武.挠性太阳帆板驱动控制系统研究[J].空间控制技术与应用,2013,39(1):27-33.

LU Dong-ning,LIU Yi-wu.On the control of flexible solar array drive systems[J].Aerospace Control and Application,2013,39(1):27-33.

[2] 张猛.祝晓丽. 陆娇娣.等.一种高稳定度太阳帆板驱动机构控制方法[J].空间控制技术与应用.2010,36(4):46-49.ZHANG Meng,ZHU Xiao-li,Lu Jiao-di,et al.A high stability

control method for solar array drive mechanism[J].Aerospace Control and Application,2010,36(4):46-49.

[3] 高星,王友平. 太阳电池阵驱动机构通用化系列化合组合化设计[J].空间科学学报,2002(22):55-68.

GAO Xing,WANG You-ping. The universalization-,serialization-,and modularization design of solar array drive assembly (SADA) [J]. Chinese Journal of Space Science,2002(22): 55-68.

[4] 王凯,李杏春,王占国.一种磁保持继电器驱动电路的设计[J].仪器仪表用户,2008,15(3):66 -67.

WANG Kai,LI Xing-chun,WANG Zhan-guo.Design of driver circuit for magnetric self-perpetuating relay[J].Electrical Instrumentation & Consumer,2008,15(3):66 -67.

[5] 周忠辉.步进电机驱动的实现方法[J].仪器仪表与传感器,2004(11):61-62.

ZHOU Zhong-hui.Way to drive stepper motor [J].Instrument technique and sensor,2004(11):61-62.

[6] 钱金川, 朱守敏.可靠性技术在继电器控制中的应用[J].低压电器,2007(7):9-11.

QIAN Jin-chuan, ZHU Shou-min. Application of eliability technology for relay control[J]. Low Voltage Apparatus,2007(7):9-11.

Study of the cross recombination method used in solar array drive electronics

ZHANG Xing-guo, ZHOU Shi-an, LEI Hai-jun, LI Qing, FAN Song-tao
（ Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China）

Solar Array and motor coils is usually fixed together. That is to say, the main backup of the drive electronics respectively connected to the main backup of the motor coils. In principle, the main and the backup circuit are separated between each other. But the mode of the main backup coils is parallel wound. The working motor coils will exert electric stress to non-working coils by electromagnetic coupling. That will produce stress to the non-powed components, and impact the performance of the drive electronics. In this paper, we design cross recombinations between the array driving circuit and motor coils, which can eliminate the electromagnetic coupling effects between the main and the backup circuit, and greatly improve the reliability.

SADE; electromagnetic coupling; cross recombinations; reliability

TN710

A

1674-6236(2014)03-0178-03

2013–07–03 稿件编号：201307031

张兴国(1978—)，男，江苏灌云人，硕士，工程师。研究方向：星载计算机及可靠性设计。