微特电机在卫星水色扫描仪中的应用

    尹达一¹，冯鑫¹，郑列华¹，李雨²，程远²

(1中国科学院上海技术物理研究所，上海200083；2中国电子科技集固公司第21研究所，上海200233)

    摘要：水色水温扫描仪是海洋一号系列卫星上的主要有效载荷之一。重点对组成水色水温扫描仪独特的扫描和消旋子系统以及消角动量子系统中微特电机的应用情况进行了介绍，该类系统在国内外航天遥感领域属于首次在轨得到成功应用。

    关键词：海洋一号卫星；水色扫描仪；消像旋：步进电动机；无刷直流电动机；消角动量

    中国分类号：TM33；TM383．6  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)08—0008—04

0引言

    海洋一号(Haiyang-1)系列卫星是中国首次特别用于监测海洋环境的光学遥感卫星，主要用途是探测海洋水色、水温要素，包括叶绿素浓度、悬浮物质含量、元机物、海洋污染以及海表温度分布等。在开发海洋生物资源、探测海洋污染状况、发展沿海大陆架水产资源以及研究全球海洋环境变化方面，海洋一号系列卫星展现出日益重要的作用。迄今为止，该系列卫星共研发了2颗(即A星和B星)，分别于2002年5月和2007年4月发射升空。

    水色水温扫描仪(以下简称COCTS)是海洋一号系列卫星上的主要光学遥感器之一，具有6个可见光、2个近红外和2个热红外波段。不但能够获取丰富的海洋水色景象与特征信息，而且能用具有飞行中辐射校正能力的2个红外波段获取定量的海面温度图，并用近红外波段进行水色遥感数据的大气辐射校正。COCTS的功能与美国SeaStar卫星上SeaWiFS和日本ADEOS卫星上OCTS相类似，基本参数如表1所示。

    从空间对海洋遥感的要求不同于气象卫星，它需要遥感器在地面目标(如海洋、湖泊等水体表面)反射能量较弱的条件下具有较高的探测灵敏度，为此，海洋一号卫星COCTS采用多元并扫(共10个通道、每个通道4元)技术以提升信噪比。具体来说，COCTS采用了45^。反射镜(简称s镜)绕系统光轴作360^。连续旋转扫描，将地物目标光谱信息引人到主光学系统中，并对深冷空间以及参考黑体目标进行扫描以提供各探测通道的零辐射基准和红外通道的辐射参考基准。这是一个垂直于卫星飞行轨迹方向(即穿轨方向)的扫描过程，但s镜旋转扫描时会产生探测器焦面像旋转，并导致各探测通道的轴外视场无法配准的光学问题。为此，在主光学系统之后设置消像旋镜(简称K镜)，其作用是带动一个全波段反射系统跟踪s镜进行同向360^。连续旋转扫描，当转速严格保持s镜转速的一半时能够消除这类像旋现象。位于光学系统焦面处的探测器瞬时视场对K镜出射光谱信息进行连续采样后获得正确的多元并扫地物景象。

    cOcTrs中带动s镜和K镜旋转的电机机构与驱动电路一起组成了扫描／消像旋子系统(简称s／K电机子系统)。为了消除它们在旋转过程中产生的动量矩，降低对卫星姿态的感染，系统还没置了消角动量矩子系统(简称消角电机子系统)。cOcTs的结构模型如图1所示。

1 S／K电机子系统

1.l s／K电机机构

    s／K电机子系统包括s镜电机子系统和K镜电机子系统，每个子系统由电机机构、驱动电路组成，属于cOcTs的关键部件之一，其运行性能决定了cocTs的成像质量。

    s镜电机机构主要包括：步进电动机、s镜、动平衡校正器(内平衡块、外平衡块)、轴承等组件，如图2所示。K镜电机机构主要包括：步进电动机、K镜、平面镜、K镜调节组件、轴承等组件，如图3所示。

s／K电机子系统均采用永磁感应子式步进电动机工作，该类型电机具有如下优点：

    (1)控制性能好，可用开环方式驱动而无需反馈；

    (2)位移量与数字脉冲数成正比，数字信号经过环形分配器和功率放大后可直接控制步进电动机；

   (3)多台电机速度同步应用情况下性能突出，特别适用于转速严格同步的场合；

    (4)速度与脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以在较宽的范围内调节速度；

    (5)无累积定位误差，具有一定的自定位力距；

    (6)空间应用可靠性高。

    基于以上优点，cOcTs采用这类步进电动机作为驱动s镜、K镜进行旋转扫描的执行器。电机的参数指标如表2所示。

1.2工作模型

    为使K镜严格按s镜的一半转速并保持特定的同步相位连续运行，s／K镜电机子系统在驱动模型上设定了主要的三种工作模式，分别是：变频起动模式、相位跟踪模式、配准模式。这三种模式代表了电机工作过程中不同的状态，工作模型如图4所示。

l.2.1变频起动模式

    由于步进电动机自身特点以及负载原因，由静止状态直接起动到工作转速非常困难。通常选择先从较低的转速起动，而后逐渐增加至工作转速，该过程称为步进电动机的变频起动。s／K电机的变频过程采用加速度随时间逐渐减小的抛物线型变频方式，使得电机起动过程更加平稳。图5描述了电机从频率ω₀(起动转速)起动到ω₁(工作转速)的过程，采用低速运行一段时间的模式是为了消除电机从静止状态起动大惯量负载时产生的振荡，保证惯量负载系统平稳地进人工作转速ω₁状态。s镜电机的起动后的工作转速是90．6 r／min而K镜电机起动后的工作转速是45．4 r／min。

    电机起动时序由FPGA(Field ProgrammableGate Array)设定。将起动频率分为不同的起动数存储在FPGA当中，并用计数器依次读取存储器中的变频数据。随着计数值的变化，电机转速由低到高，当变频计数器计数结束后，控制系统发出变频结束信号，s镜电机从变频起动模式切换至系统工作模式，而K镜电机从变频起动模式切换到相位跟踪模式。

1.2．2相位跟踪模式

    在s镜电机与K镜电机运行过程中，需要知道s镜电机和K镜电机的相对运行位置。为此，采用固定的霍尔位置传感器与电机转子上磁钢的相互作用产生的信号作为电机相位检测基准。

    相位跟踪的方法如图6所示。将s镜电机位置检测信号展宽为一个正电平门限信号，将K镜位置检测信号缩成一个正电平窄脉冲。当窄脉冲进入到宽门限信号中时，认为s／K电机已经符合相位同步条件，即K镜电机可以切换转速进行配准动作。反之，如果窄脉冲没有进入到宽门限信号，则K镜电机处于相位跟踪模式进行动态调整，该过程称为扫描镜和K镜的相位跟踪。正电平脉冲宽度由s镜、K镜配准精度与配准时间决定。

1．2．3配准模式

    s镜电机和K镜电机由变频模式起动后，s镜电机进入转速为90.6 r／min的系统工作模式，而K镜步进电机先变频到跟踪转速为45．4 r／min的相位跟踪模式。K镜电机在此频率下对s镜电机进行动态相位跟踪。如果相位同步条件已经具备，K镜电机频率立即切换至s镜电机运行频率的1／2，K镜电机进入转速为45．3 r／min的系统工作模式，即s镜与K镜完成配准。

1．3驱动技术

    S／K镜电机子系统的驱动电路形式是一致的，均采用4相双4拍32细分正弦型以及PwM恒流斩波驱动技术。

1．3．1细分驱动

    步进电动机的细分驱动是将电机输入电抗的阶跃相电流在导通(零到额定值)或截止(额定值到零)的变化过程分为多步进行。采用细分驱动不仅可以获得更小的步距角与更高的分辨率，还能明显减小电机的振动、噪声，改善步进电动机的低频特性。图7是s镜电机与K镜电机的细分波形图。

    s镜电机、K镜电机细分数均选取32，4相双4拍运行。步进电动机的绕组电流与输出力矩、电机转角之间都接近于正弦关系，这种细分波形驱动性能更好，能够使步进电动机力矩波动更小，运行更加平稳可靠。

1．3．2 PwM恒流斩波驱动

    PwM驱动技术具有驱动效率高、输出力矩大以及控制特性平稳的优点。工作过程是：将D／A输出的控制电压加在脉宽调制电路的输入端并转换成相应脉冲宽度的矩形波，通过控制功放管通断时间(调制频率为20 kHz)继而改变输出到步进电动机绕组上的平均电流。由于电机绕组是感性负载，尽管是断续通电，但其电流还是平稳的。

    恒流斩波式驱动技术是对电机绕组中的电流进行检测，经过采样电阻转换成电压后与D／A输出控制电压比较，若采样大于控制电压，输出开关将功放管截止，反之导通。D／A输出不同的控制电压，绕组中将流过不同的电流值。

    cOcTs中的s／K电机子系统将两种上述技术结合起来形成正弦细分PwM恒流斩波驱动，工作原理如图8所示。它兼有PwM和恒流斩波驱动的技术优势，具有电机驱动效率高、有效抑制电机振荡、运行状态平稳的特点。在电路硬件方面，它与细分驱动功能使用同一片FPGA芯片实现代码固化。

1．4小结

    (1)运行测试过程中，s／K镜电机子系统能够准确实现K镜对s镜的实时相位跟踪与配准功能，配准精度为1^。，配准时间优于6 min，电机子系统的相对运行稳定性优于5×10^-5。

    (2)除了完成cOcTs提出的指标要求外，s／K电机子系统还按照航天规范通过了各项地面环试与可靠性试验。各项电机最坏运行条件下的测试结果表明：s镜电机子系统的力矩裕度为27；K镜电机子系统的力矩裕度为21；均满足欧洲空间组织标准(Ecss—E-30)大于O 25的要求，说明cOcTs的电机具有较大的输出力矩裕量。

2消角动量电机子系统

    cOcTs中消角动量电机子系统的作用是减小cocTs中s／K电机机构工作过程中产生的动量矩，减少对卫星平台姿控的影响，采用直流无刷电机工作，参数指标如表3所示。

    消角电机子系统采用三相桥式功率放大电路驱动以提高动态性能，电机的一个运行周期有六个状态。为防止电机过载，设计了电流限制电路。电机工作时，从定子绕组上采样电流并与基准值比较，若电流超出允许值，转子位置译码器输出禁止，电机绕组得到的电流减小，转速减小。当电流减小到一定值时，转子位置译码器恢复输出，因此，位置译码器通过输出实时的通断状态使直流元刷电机的平均电流不超过允许范围。为了抑制电流波形可能产生的尖峰，电路采用了π型滤波。电路原理如图9所示。

产生的动量矩均为6 x10^-2kg·m²·s。将消角电机转速设定为3 200 r／min，cocTs的剩余角动量控制在5×10^-3kg·m².s。范围之内，满足卫星平台提出的剩余角动量要求。

3结语

    Haivang-1B卫星于：2007年4月发射入轨以来，cOcTs上的s镜电机、K镜电机以及消角动量电机运行状态良好、稳定。其中，s镜电机、K镜电机起动、相位跟踪、配准过程符合模型预期。cocTs获取了大量丰富的海洋水色、水温数据，图像质量高，海陆边界清晰，卫星姿态控制平稳，证明组成cOcTS的电机子系统运行精度满足了成像以及姿控要求。图lO是cOcTS获取的中国海区实时过镜的可见与红外图像。

   查新表明，cOcTs属于迄今为止国内外首次取得消像旋“K镜”技术成功的航天光学遥感器，此项技术将在我国明年发射的风云三号卫星的光学遥感器上继续应用。

    海洋一号卫星COCTS属于我国海洋探测方面先进的航天光学遥感器之一，所采用的扫描技术具有鲜明特点，微特电机及其相关技术发挥了重要作用。随着我国航天遥感器技术的进一步发展，在空间对地中高分辨率探测领域，不论海洋、气象还是陆地遥感，该项技术将会拥有更加广阔的应用前景。