中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在2025年，步進(jìn)電機(jī)行業(yè)技術(shù)持續(xù)演進(jìn)，尤其是在空間光學(xué)遙感器領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)取得了顯著進(jìn)展。隨著遙感相機(jī)規(guī)模與復(fù)雜程度的提升，星載步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，對(duì)其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的要求也水漲船高。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)在面對(duì)大規(guī)模步進(jìn)電機(jī)控制時(shí)暴露出諸多問(wèn)題，促使行業(yè)積極探索創(chuàng)新解決方案，多通道星載步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)復(fù)用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為該領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)憑借無(wú)定位累計(jì)誤差等突出優(yōu)點(diǎn)，在空間光學(xué)遙感器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中占據(jù)重要地位。但隨著遙感相機(jī)規(guī)模和復(fù)雜程度的提升，配套的機(jī)構(gòu)種類增多，星載步進(jìn)電機(jī)的通道數(shù)也隨之增加。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一套驅(qū)動(dòng)電路對(duì)應(yīng)一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，若要控制多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，需配置相應(yīng)數(shù)量的驅(qū)動(dòng)電路，這無(wú)疑給控制器的質(zhì)量、成本等方面帶來(lái)沉重壓力。例如，多通道星載步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)復(fù)用常采用繼電器切換機(jī)制，隨著電機(jī)數(shù)量增加，繼電器規(guī)模相應(yīng)擴(kuò)大?？紤]到航天器元器件電流降額以及切換的可靠性問(wèn)題，繼電器數(shù)量還需進(jìn)一步增加。用于切換電機(jī)電流的繼電器體積重量較大，為保證力學(xué)特性，需固定在結(jié)構(gòu)板框上，大面積金屬板框?qū)е驴刂破髻|(zhì)量顯著增加。此外，繼電器切換依靠開(kāi)關(guān)指令，大量繼電器的使用占用較多系統(tǒng)指令，對(duì)電路體積和軟件資源都極為不利。
空間光學(xué)遙感器在發(fā)射過(guò)程中，受振動(dòng)和沖擊等復(fù)雜環(huán)境影響，有些機(jī)構(gòu)需進(jìn)行鎖定，以防止相對(duì)位置變化或?qū)鈱W(xué)器件造成損傷。傳統(tǒng)鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用步進(jìn)電機(jī)單相通電方式實(shí)現(xiàn)鎖定功能，但當(dāng)需鎖定的電機(jī)數(shù)量增加時(shí)，該方式存在顯著問(wèn)題：所需鎖定電流呈倍數(shù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)功耗激增;實(shí)際鎖定機(jī)構(gòu)往往只需較小力矩即可滿足使用需求，單相通電提供的力矩存在過(guò)度設(shè)計(jì);造成能源與硬件資源的雙重浪費(fèi)。
針對(duì)多通道星載步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)復(fù)用難題，摒棄傳統(tǒng)繼電器切換方式，選用 MOSFET 及整流二極管等器件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。利用器件的單相導(dǎo)通特性，所有負(fù)載電機(jī)直接連接驅(qū)動(dòng)信號(hào)源，同時(shí)獨(dú)立控制各電機(jī)繞組的公共端，通過(guò) MOSFET 的導(dǎo)通 / 關(guān)斷操作選擇目標(biāo)負(fù)載電機(jī)，每路電機(jī)配置專屬開(kāi)關(guān)信號(hào)。由于各電機(jī)同相繞組接在一起，為防止串電現(xiàn)象，在各相繞組端串聯(lián)整流二極管隔離潛通路。為實(shí)現(xiàn)弱電流鎖定功能，復(fù)用驅(qū)動(dòng)信號(hào)需通過(guò)高速驅(qū)動(dòng)芯片處理，防止高頻調(diào)制頻率下驅(qū)動(dòng)波形畸變，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管通斷異常。同時(shí)增加瞬態(tài)電壓抑制二極管，防止開(kāi)關(guān)管在信號(hào)高頻調(diào)制頻率下被感生電壓擊穿，起到浪涌保護(hù)作用。高頻調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和占空比可根據(jù)電機(jī)實(shí)際參數(shù)匹配確定，以實(shí)現(xiàn)滿足使用要求的弱電流鎖定值。
多通道星載步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)復(fù)用電路結(jié)構(gòu)由電源轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、選通開(kāi)關(guān)模塊、復(fù)用驅(qū)動(dòng)模塊、防串電模塊組成。電源轉(zhuǎn)換模塊提供步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需功率電;控制模塊一方面控制選通開(kāi)關(guān)模塊的使能狀態(tài)，另一方面輸出信號(hào)控制復(fù)用驅(qū)動(dòng)模塊的輸出邏輯;選通開(kāi)關(guān)模塊接收控制模塊使能信號(hào)，將功率電輸出到相應(yīng)電機(jī)及防串電模塊;復(fù)用驅(qū)動(dòng)模塊接收控制模塊控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部 MOSFET 導(dǎo)通狀態(tài)，使步進(jìn)電機(jī)有序運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)控制信號(hào)頻率和占空比，實(shí)現(xiàn)同步鎖定;防串電模塊并聯(lián)在步進(jìn)電機(jī)兩端，防止相間串電，為繞組提供電流續(xù)流通路。
控制模塊選用 FPGA 作為主控芯片，外圍電路包括低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)、晶振以及復(fù)位電路。LDO 提供 FPGA 所需的核心工作電壓和 I/O 驅(qū)動(dòng)邏輯電壓，并采用多種電容進(jìn)行近端去耦，保證電源穩(wěn)定性。晶振頻率選為 20MHz，作為 FPGA 主時(shí)鐘頻率。復(fù)位電路采用系統(tǒng)上電復(fù)位電路和定時(shí)器電路相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)剛上電及運(yùn)行紊亂時(shí)，能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠復(fù)位。系統(tǒng)剛上電時(shí)，復(fù)位信號(hào)通過(guò)施密特觸發(fā)器整形，使觸發(fā)波形變化邊緣更陡峭，防止電平處于亞穩(wěn)態(tài)造成誤觸發(fā)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，每隔一段時(shí)間 FPGA 復(fù)位計(jì)數(shù)器。當(dāng)程序出現(xiàn)運(yùn)行紊亂無(wú)法對(duì)定時(shí)器電路進(jìn)行初始化時(shí)，計(jì)數(shù)器到達(dá)設(shè)定時(shí)間后輸出信號(hào)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生設(shè)定寬度脈沖信號(hào)，經(jīng)邏輯門芯片后作為 FPGA 復(fù)位信號(hào)。計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)反轉(zhuǎn)時(shí)間，可通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器外接振蕩電路電容和電阻來(lái)調(diào)整。FPGA 輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)到選通開(kāi)關(guān)模塊，控制其使能狀態(tài);輸出控制信號(hào)到復(fù)用驅(qū)動(dòng)模塊，控制輸出邏輯。
選通開(kāi)關(guān)模塊的主要作用是選中相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和鎖定功能。它接收控制模塊 FPGA 發(fā)出的開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)反相緩沖器進(jìn)行電平變換，將輸出信號(hào)上拉處理，低電平為 0V，高電平為功率電 + 12V。選通開(kāi)關(guān)模塊內(nèi)部開(kāi)關(guān)管選取 P 溝道 MOSFET(P-MOSFET)，當(dāng)控制模塊發(fā)出的開(kāi)關(guān)信號(hào)為低電平時(shí)，柵源電壓為 0V，P-MOSFET 關(guān)斷，電源轉(zhuǎn)換模塊提供的功率電無(wú)法輸出到防串電模塊及相應(yīng)電機(jī);當(dāng)開(kāi)關(guān)信號(hào)為高電平時(shí)，柵源電壓為 - 12V，P-MOSFET 導(dǎo)通，功率電能夠輸出。通過(guò)這種方式，控制模塊可選擇為哪一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的公共端接入功率電。選通開(kāi)關(guān)模塊集成多路電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)通道，每路控制單臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。
《2025-2030年全球及中國(guó)步進(jìn)電機(jī)行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，復(fù)用驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)一套共用驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)多通道步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使步進(jìn)電機(jī)有序運(yùn)轉(zhuǎn)或同步鎖定。它主要由高速驅(qū)動(dòng)芯片、MOSFET 以及瞬態(tài)電壓抑制二極管組成。復(fù)用驅(qū)動(dòng)模塊采用高速驅(qū)動(dòng)芯片處理 FPGA 控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換與驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)的雙重功能。選通開(kāi)關(guān)模塊內(nèi)部反相緩沖器雖能進(jìn)行電平變換，但信號(hào)頻率提升到千赫茲級(jí)別后，高頻信號(hào)傳遞到 MOSFET 柵極端易發(fā)生畸變，開(kāi)關(guān)管的 Vgs 波形呈現(xiàn)三角波，不利于 MOSFET 導(dǎo)通。而選用高速驅(qū)動(dòng)芯片，F(xiàn)PGA 輸出的 100kHz 高頻控制信號(hào)經(jīng)其處理后，到達(dá) MOSFET 的 Vgs 波形仍能保持良好完整性，無(wú)明顯失真。
步進(jìn)電機(jī)各相的導(dǎo)通由 N 溝道 MOSFET(N-MOSFET)的開(kāi)啟狀態(tài)決定。當(dāng) Vgs 為 0V 時(shí)，N-MOSFET 關(guān)斷;當(dāng) Vgs 為 + 12V 時(shí)，N-MOSFET 導(dǎo)通。控制模塊發(fā)出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng) N-MOSFET 導(dǎo)通狀態(tài)，使步進(jìn)電機(jī)四相有序?qū)?，控制電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)可發(fā)送任意一相高頻脈寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié) FPGA 輸出信號(hào)頻率和占空比，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)同步弱電流鎖定功能。當(dāng)采用高頻脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行電機(jī)鎖定時(shí)，由于電機(jī)自身電感特性，關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生較大感生電壓，若缺乏有效保護(hù)措施，該瞬態(tài)高壓極易導(dǎo)致 N-MOSFET 柵源擊穿。為防止漏源極間電壓過(guò)高，在 N-MOSFET 兩側(cè)并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制二極管，該器件用于浪涌保護(hù)。選取的瞬態(tài)電壓抑制二極管擊穿電壓上限不能超過(guò) N-MOSFET 的漏源擊穿電壓，下限不能低于電源轉(zhuǎn)換模塊的功率電壓。當(dāng) N-MOSFET 的漏源電壓 Vds 高于瞬態(tài)電壓抑制二極管擊穿電壓時(shí)，二極管能快速泄放脈沖電流，保證 N-MOSFET 不會(huì)因 Vds 過(guò)高而被擊穿損傷。
防串電模塊主要由整流二極管構(gòu)成，一端根據(jù)選通開(kāi)關(guān)模塊使能狀態(tài)接收相應(yīng)電機(jī)的功率電，另一端接到復(fù)用驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)端。防串電模塊將整流二極管并聯(lián)到電機(jī)繞組兩側(cè)，當(dāng)電機(jī)同步鎖定時(shí)，復(fù)用驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)的 N-MOSFET 在高頻脈寬調(diào)制信號(hào)作用下快速導(dǎo)通 / 關(guān)斷，使相應(yīng)繞組電流值維持在較小范圍。電機(jī)繞組兩側(cè)的整流二極管起到為相電流續(xù)流的作用，當(dāng) N-MOSFET 關(guān)斷時(shí)，繞組電流通過(guò)整流二極管形成續(xù)流通路，使繞組電流達(dá)到穩(wěn)定調(diào)制目的。
防串電模塊將整流二極管與步進(jìn)電機(jī)繞組串聯(lián)，并將多通道步進(jìn)電機(jī)同相繞組串聯(lián)的整流二極管負(fù)極相連，通過(guò)復(fù)用驅(qū)動(dòng)模塊的 N-MOSFET 控制其開(kāi)啟狀態(tài)。當(dāng)其中一臺(tái)電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，若沒(méi)有防串電模塊內(nèi)相應(yīng)整流二極管，其他通道電機(jī)各相也會(huì)有電流通過(guò)，導(dǎo)致該電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)異常，電源轉(zhuǎn)換模塊輸出功率增大。為防止串電現(xiàn)象，隔絕潛通路影響，整流二極管的選取至關(guān)重要。選用的整流二極管正向?qū)娏餍韪哂陔姍C(jī)額定電流，反向峰值電壓要大于 3 倍的電源轉(zhuǎn)換模塊功率電壓。
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的多通道星載步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)復(fù)用電路分時(shí)運(yùn)動(dòng)控制以及同步鎖定功能，選用 10 臺(tái)步進(jìn)電機(jī)作為負(fù)載被控對(duì)象搭建測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)示波器觀測(cè)分時(shí)運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中的控制信號(hào)，判斷步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式及其運(yùn)行頻率;觀測(cè)電源轉(zhuǎn)換模塊電流波形以及各電機(jī)運(yùn)行和鎖定情況，驗(yàn)證 10 臺(tái)電機(jī)分時(shí)運(yùn)動(dòng)控制及同步弱電流鎖定功能;觀測(cè)同步鎖定過(guò)程中的控制信號(hào)，判斷弱電流鎖定的調(diào)制頻率及其占空比。
測(cè)試結(jié)果顯示，10 臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)PGA 輸出的控制信號(hào)頻率為 20Hz，運(yùn)行方式為四相單四拍。通過(guò)高速驅(qū)動(dòng)芯片，將 FPGA 輸出 + 3.3V 電平變換到 + 12V 電平。此時(shí)電源轉(zhuǎn)換模塊輸出的功率電流為 3A，與步進(jìn)電機(jī)額定電流值相符，即單臺(tái)電機(jī)運(yùn)動(dòng)電流為 3A，驗(yàn)證了 10 臺(tái)電機(jī)分時(shí)運(yùn)動(dòng)控制功能。電機(jī)同步鎖定時(shí)，F(xiàn)PGA 輸出的控制信號(hào)頻率為 100kHz，占空比 25%。此狀態(tài)下電源轉(zhuǎn)換模塊輸出的功率電流在 0 - 5A 內(nèi)波動(dòng)，即單臺(tái)步進(jìn)電機(jī)鎖定電流最大為 0.5A，是傳統(tǒng)單相鎖定電流(3A)的 1/6，實(shí)現(xiàn)了 10 臺(tái)電機(jī)同步弱電流鎖定功能。
在2025年步進(jìn)電機(jī)行業(yè)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，多通道星載步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)復(fù)用技術(shù)針對(duì)大規(guī)模步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制難點(diǎn)，提出了創(chuàng)新性解決方案。通過(guò)采用 MOSFET、整流二極管等器件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，取代傳統(tǒng)繼電器切換方式，有效減輕了系統(tǒng)指令資源壓力，大幅度縮減電路規(guī)模，使控制器質(zhì)量減小 1 - 2kg。同時(shí)，利用高頻調(diào)制頻率實(shí)現(xiàn)同步弱電流鎖定功能，相比傳統(tǒng)鎖定方案，功耗大幅降低，單臺(tái)電機(jī)鎖定功耗約為單相鎖定電流功耗的 1/36。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，以 10 臺(tái)步進(jìn)電機(jī)作為負(fù)載，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)分時(shí)運(yùn)動(dòng)控制功能，運(yùn)行頻率為 20Hz，單臺(tái)電機(jī)相電流為 3A;同步弱電流鎖定功能正常，調(diào)制頻率為 100kHz，占空比 25%，單臺(tái)電機(jī)鎖定電流最大為 0.5A，能夠滿足空間光學(xué)遙感器機(jī)構(gòu)不同檔位的鎖定需求，有效降低系統(tǒng)發(fā)射功耗。多通道星載步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)復(fù)用技術(shù)適用于需要大規(guī)模步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及同步鎖定的場(chǎng)景，具有良好的工程實(shí)用價(jià)值，為空間光學(xué)遙感器領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力支撐，推動(dòng)了步進(jìn)電機(jī)行業(yè)技術(shù)在航天領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用與拓展。
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