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1、2014年12月中国空间科学技术31第6期ChineseSpaceScienceandTechnology数传跟踪天线驱动控制建模与仿真周勇张剑(中国空间技术研究院西安分院,西安710100)摘要星载高增益数传跟踪天线一般采用步进电动机和谐波减速器作为驱动源,要求其跟踪执行精度小于0·1º(3氁)。文章以数传跟踪天线机构为研究对象,综合考虑了步进电动机矢量转矩模型、谐波齿轮的非线性动力学模型以及驱动电路动态模型。建立了非线性数字仿真模型,通过仿真计算,得到跟踪机构的单步响应、跟踪精度、输出转矩等运动特性,比较仿真结果和试验结果,对所建模型进行验证。比较结果
2、表明,建立的天线机构驱动模型准确可靠,执行精度小于0·017º(3氁),满足天线指向精度要求。关键词步进电动机;谐波减速器;数学模型;跟踪精度;航天器DOI:10·3780/·jissn·1000-758X·2014·06·0051引言随着航天器数据中继、星间链路、对地高分辨率观测等任务的日益增多,对终端点波束数据跟踪天线(以下简称数传跟踪天线)的需求也随之增多,用于完成对地面站、中继星或目标星的指向跟踪,以实现高速数据传输。天线一般要求具有更高的增益以及极化复用的使用需求,当天线口径一定时其波束宽度更窄,从而使得天线跟踪精度对任务的完成尤为重要。天线跟踪
3、精度包括天线机械执行误差、天线安装误差、整星姿态误差以及热变形等,其中天线的机械执行误差占主要部分,因此需在系统设计时通过仿真进行验证。目前,遥感卫星对天线的执行精度要求小于0·1º(3氁)。数传跟踪天线一般采用步进电动机和谐波齿轮驱动转动机构,现有关于基于步进电动机+谐波减速器+细分驱动的卫星天线驱动机构的建模仿真研究的文献较少。例如文献[1-2]所建立的模型未考虑谐波减速器的齿隙、驱动器的模型等非线性因素,也未分析运动副间隙以及间隙大小对天线双轴定位机构动力学特性的影响。文献[3-4]均以星载天线双轴定位机构为对象,对影响天线指向精度的传动误差、测量误
4、差、安装误差、姿态误差以及热变形等影响因素进行了分析,未结合驱动电路及电动机的数学模型进行影响指向精度的分析。本文利用Matlab/Simulink对卫星天线跟踪机构进行了建模仿真,该模型考虑了影响天线指向精度的驱动电路、谐波减速器以及步进电动机非线性因素,并与实测结果进行了比对。该模型可提供天线机构的指向精度、转矩波动、转速波动和单步响应等数据,为具有高姿态稳定度要求的卫星提供天线指向精度和干扰力矩数据。收稿日期:2014-03-17。收修改稿日期:2014-07-0832中国空间科学技术2014年12月2系统结构数传跟踪天线由控制器、步进电动机、谐波减
5、速器、天线负载和旋转变压器等部件组成。控制器完成控制算法计算、电动机驱动等功能;电动机采用两相混合式步进电动机,其驱动方式为微步恒流斩波驱动。系统的建模包括步进电动机建模和机械传动系统建模两部分,二者之间通过转矩平衡而相互联结,系统的仿真模型结构如图1所示。图1系统仿真结构Fig·1Blockdiagramofmodel3数学模型3·1电流控制器模型步进电动机的细分驱动,其本质是必须控制电动机A、B两相绕组中的电流为相位差为π/2的正弦波电流,使步进电动机内部合成磁场的幅值恒定,实现电动机的恒转矩输出。A、B相电流环控制器模块如图2所示。其中,输入为A、B
6、相电流反馈信号和系统给定或者位置环输出转速信号;输出为A、B两相8路驱动信号,送至H桥驱动电路。图2A、B相电流控制器模块Fig·2Modelofcurrentcontrol在运行稳定时,A、B相参考电流,由函数F1实现,其函数表示为iA=Imaxcos毴e}(1)iB=Imaxsin毴e[8]A、B相参考电流iA,iB分别与A、B相电流反馈信号经滞环比较器,输出为电流开关信号,该电流开关信号和A、B相驱动方向信号根据逻辑关系(函数F2实现,见表1)决定H桥上下桥臂的控制信号,该控制信号输出经过死区设置分别给出考虑死区效应的A、B相H桥驱动脉冲信号,输出到
7、H桥驱动与电动机模型。2014年12月中国空间科学技术33表1A、B相H桥上下桥臂的控制信号Tab·1ControlsignalsofHbridge驱动方向电流开关信号上桥臂T1下桥臂T2上桥臂T3下桥臂T41110011010100101100010103·2H桥驱动与电动机模型电动机驱动器采用H桥结构的功率放大器,为混合式步进电动机的绕组提供双极性电源。步进电动机的运行性能与步进电动机的驱动器的性能密切相关,现将H桥驱动电路与电动机绕组的统一建立仿真模型,仿真模型如图3所示。图3H桥驱动电路仿真模型Fig·3ModelofH-bridge驱动电路和电动
8、机模型主要包括功率开关电路以及转矩计算模块。该模块的输入信号为图2
