微特電機在衛星水色掃描儀中的應用
尹達一1，馮鑫1，鄭列華1，李雨2，程遠2
(1中國科學院上海技術物理研究所，上海200083；2中國電子科技集固公司第21研究所，上海200233)
摘要：水色水溫掃描儀是海洋一號系列衛星上的主要有效載荷之一。重點對組成水色水溫掃描儀獨特的掃描和消旋子系統以及消角動量子系統中微特電機的應用情況進行了介紹，該類系統在國內外航天遙感領域屬于首次在軌得到成功應用。
關鍵詞：海洋一號衛星；水色掃描儀；消像旋：步進電動機；無刷直流電動機；消角動量
中國分類號：TM33；TM383．6 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)08—0008—04
0引言
海洋一號(Haiyang-1)系列衛星是中國首次特別用于監測海洋環境的光學遙感衛星，主要用途是探測海洋水色、水溫要素，包括葉綠素濃度、懸浮物質含量、元機物、海洋污染以及海表溫度分布等。在開發海洋生物資源、探測海洋污染狀況、發展沿海大陸架水產資源以及研究全球海洋環境變化方面，海洋一號系列衛星展現出日益重要的作用。迄今為止，該系列衛星共研發了2顆(即A星和B星)，分別于2002年5月和2007年4月發射升空。
水色水溫掃描儀(以下簡稱COCTS)是海洋一號系列衛星上的主要光學遙感器之一，具有6個可見光、2個近紅外和2個熱紅外波段。不但能夠獲取豐富的海洋水色景象與特征信息，而且能用具有飛行中輻射校正能力的2個紅外波段獲取定量的海面溫度圖，并用近紅外波段進行水色遙感數據的大氣輻射校正。COCTS的功能與美國SeaStar衛星上SeaWiFS和日本ADEOS衛星上OCTS相類似，基本參數如表1所示。
從空間對海洋遙感的要求不同于氣象衛星，它需要遙感器在地面目標(如海洋、湖泊等水體表面)反射能量較弱的條件下具有較高的探測靈敏度，為此，海洋一號衛星COCTS采用多元并掃(共10個通道、每個通道4元)技術以提升信噪比。具體來說，COCTS采用了45。反射鏡(簡稱s鏡)繞系統光軸作360。連續旋轉掃描，將地物目標光譜信息引人到主光學系統中，并對深冷空間以及參考黑體目標進行掃描以提供各探測通道的零輻射基準和紅外通道的輻射參考基準。這是一個垂直于衛星飛行軌跡方向(即穿軌方向)的掃描過程，但s鏡旋轉掃描時會產生探測器焦面像旋轉，并導致各探測通道的軸外視場無法配準的光學問題。為此，在主光學系統之后設置消像旋鏡(簡稱K鏡)，其作用是帶動一個全波段反射系統跟蹤s鏡進行同向360。連續旋轉掃描，當轉速嚴格保持s鏡轉速的一半時能夠消除這類像旋現象。位于光學系統焦面處的探測器瞬時視場對K鏡出射光譜信息進行連續采樣后獲得正確的多元并掃地物景象。
cOcTrs中帶動s鏡和K鏡旋轉的電機機構與驅動電路一起組成了掃描／消像旋子系統(簡稱s／K電機子系統)。為了消除它們在旋轉過程中產生的動量矩，降低對衛星姿態的感染，系統還沒置了消角動量矩子系統(簡稱消角電機子系統)。cOcTs的結構模型如圖1所示。
1 S／K電機子系統
1.l s／K電機機構
s／K電機子系統包括s鏡電機子系統和K鏡電機子系統，每個子系統由電機機構、驅動電路組成，屬于cOcTs的關鍵部件之一，其運行性能決定了cocTs的成像質量。
s鏡電機機構主要包括：步進電動機、s鏡、動平衡校正器(內平衡塊、外平衡塊)、軸承等組件，如圖2所示。K鏡電機機構主要包括：步進電動機、K鏡、平面鏡、K鏡調節組件、軸承等組件，如圖3所示。
s／K電機子系統均采用永磁感應子式步進電動機工作，該類型電機具有如下優點：
(1)控制性能好，可用開環方式驅動而無需反饋；
(2)位移量與數字脈沖數成正比，數字信號經過環形分配器和功率放大后可直接控制步進電動機；
(3)多臺電機速度同步應用情況下性能突出，特別適用于轉速嚴格同步的場合；
(4)速度與脈沖頻率成正比，改變脈沖頻率就可以在較寬的范圍內調節速度；
(5)無累積定位誤差，具有一定的自定位力距；
(6)空間應用可靠性高。
基于以上優點，cOcTs采用這類步進電動機作為驅動s鏡、K鏡進行旋轉掃描的執行器。電機的參數指標如表2所示。
1.2工作模型
為使K鏡嚴格按s鏡的一半轉速并保持特定的同步相位連續運行，s／K鏡電機子系統在驅動模型上設定了主要的三種工作模式，分別是：變頻起動模式、相位跟蹤模式、配準模式。這三種模式代表了電機工作過程中不同的狀態，工作模型如圖4所示。
l.2.1變頻起動模式
由于步進電動機自身特點以及負載原因，由靜止狀態直接起動到工作轉速非常困難。通常選擇先從較低的轉速起動，而后逐漸增加至工作轉速，該過程稱為步進電動機的變頻起動。s／K電機的變頻過程采用加速度隨時間逐漸減小的拋物線型變頻方式，使得電機起動過程更加平穩。圖5描述了電機從頻率ω0(起動轉速)起動到ω1(工作轉速)的過程，采用低速運行一段時間的模式是為了消除電機從靜止狀態起動大慣量負載時產生的振蕩，保證慣量負載系統平穩地進人工作轉速ω1狀態。s鏡電機的起動后的工作轉速是90．6 r／min而K鏡電機起動后的工作轉速是45．4 r／min。
電機起動時序由FPGA(Field ProgrammableGate Array)設定。將起動頻率分為不同的起動數存儲在FPGA當中，并用計數器依次讀取存儲器中的變頻數據。隨著計數值的變化，電機轉速由低到高，當變頻計數器計數結束后，控制系統發出變頻結束信號，s鏡電機從變頻起動模式切換至系統工作模式，而K鏡電機從變頻起動模式切換到相位跟蹤模式。
1.2．2相位跟蹤模式
在s鏡電機與K鏡電機運行過程中，需要知道s鏡電機和K鏡電機的相對運行位置。為此，采用固定的霍爾位置傳感器與電機轉子上磁鋼的相互作用產生的信號作為電機相位檢測基準。
相位跟蹤的方法如圖6所示。將s鏡電機位置檢測信號展寬為一個正電平門限信號，將K鏡位置檢測信號縮成一個正電平窄脈沖。當窄脈沖進入到寬門限信號中時，認為s／K電機已經符合相位同步條件，即K鏡電機可以切換轉速進行配準動作。反之，如果窄脈沖沒有進入到寬門限信號，則K鏡電機處于相位跟蹤模式進行動態調整，該過程稱為掃描鏡和K鏡的相位跟蹤。正電平脈沖寬度由s鏡、K鏡配準精度與配準時間決定。
1．2．3配準模式
s鏡電機和K鏡電機由變頻模式起動后，s鏡電機進入轉速為90.6 r／min的系統工作模式，而K鏡步進電機先變頻到跟蹤轉速為45．4 r／min的相位跟蹤模式。K鏡電機在此頻率下對s鏡電機進行動態相位跟蹤。如果相位同步條件已經具備，K鏡電機頻率立即切換至s鏡電機運行頻率的1／2，K鏡電機進入轉速為45．3 r／min的系統工作模式，即s鏡與K鏡完成配準。
1．3驅動技術
S／K鏡電機子系統的驅動電路形式是一致的，均采用4相雙4拍32細分正弦型以及PwM恒流斬波驅動技術。
1．3．1細分驅動
步進電動機的細分驅動是將電機輸入電抗的階躍相電流在導通(零到額定值)或截止(額定值到零)的變化過程分為多步進行。采用細分驅動不僅可以獲得更小的步距角與更高的分辨率，還能明顯減小電機的振動、噪聲，改善步進電動機的低頻特性。圖7是s鏡電機與K鏡電機的細分波形圖。
s鏡電機、K鏡電機細分數均選取32，4相雙4拍運行。步進電動機的繞組電流與輸出力矩、電機轉角之間都接近于正弦關系，這種細分波形驅動性能更好，能夠使步進電動機力矩波動更小，運行更加平穩可靠。
1．3．2 PwM恒流斬波驅動
PwM驅動技術具有驅動效率高、輸出力矩大以及控制特性平穩的優點。工作過程是：將D／A輸出的控制電壓加在脈寬調制電路的輸入端并轉換成相應脈沖寬度的矩形波，通過控制功放管通斷時間(調制頻率為20 kHz)繼而改變輸出到步進電動機繞組上的平均電流。由于電機繞組是感性負載，盡管是斷續通電，但其電流還是平穩的。
恒流斬波式驅動技術是對電機繞組中的電流進行檢測，經過采樣電阻轉換成電壓后與D／A輸出控制電壓比較，若采樣大于控制電壓，輸出開關將功放管截止，反之導通。D／A輸出不同的控制電壓，繞組中將流過不同的電流值。
cOcTs中的s／K電機子系統將兩種上述技術結合起來形成正弦細分PwM恒流斬波驅動，工作原理如圖8所示。它兼有PwM和恒流斬波驅動的技術優勢，具有電機驅動效率高、有效抑制電機振蕩、運行狀態平穩的特點。在電路硬件方面，它與細分驅動功能使用同一片FPGA芯片實現代碼固化。
1．4小結
(1)運行測試過程中，s／K鏡電機子系統能夠準確實現K鏡對s鏡的實時相位跟蹤與配準功能，配準精度為1。，配準時間優于6 min，電機子系統的相對運行穩定性優于5×10-5。
(2)除了完成cOcTs提出的指標要求外，s／K電機子系統還按照航天規范通過了各項地面環試與可靠性試驗。各項電機最壞運行條件下的測試結果表明：s鏡電機子系統的力矩裕度為27；K鏡電機子系統的力矩裕度為21；均滿足歐洲空間組織標準(Ecss—E-30)大于O 25的要求，說明cOcTs的電機具有較大的輸出力矩裕量。
2消角動量電機子系統
cOcTs中消角動量電機子系統的作用是減小cocTs中s／K電機機構工作過程中產生的動量矩，減少對衛星平臺姿控的影響，采用直流無刷電機工作，參數指標如表3所示。
消角電機子系統采用三相橋式功率放大電路驅動以提高動態性能，電機的一個運行周期有六個狀態。為防止電機過載，設計了電流限制電路。電機工作時，從定子繞組上采樣電流并與基準值比較，若電流超出允許值，轉子位置譯碼器輸出禁止，電機繞組得到的電流減小，轉速減小。當電流減小到一定值時，轉子位置譯碼器恢復輸出，因此，位置譯碼器通過輸出實時的通斷狀態使直流元刷電機的平均電流不超過允許范圍。為了抑制電流波形可能產生的尖峰，電路采用了π型濾波。電路原理如圖9所示。
產生的動量矩均為6 x10-2kg·m2·s。將消角電機轉速設定為3 200 r／min，cocTs的剩余角動量控制在5×10-3kg·m2.s。范圍之內，滿足衛星平臺提出的剩余角動量要求。
3結語
Haivang-1B衛星于：2007年4月發射入軌以來，cOcTs上的s鏡電機、K鏡電機以及消角動量電機運行狀態良好、穩定。其中，s鏡電機、K鏡電機起動、相位跟蹤、配準過程符合模型預期。cocTs獲取了大量豐富的海洋水色、水溫數據，圖像質量高，海陸邊界清晰，衛星姿態控制平穩，證明組成cOcTS的電機子系統運行精度滿足了成像以及姿控要求。圖lO是cOcTS獲取的中國海區實時過鏡的可見與紅外圖像。
查新表明，cOcTs屬于迄今為止國內外首次取得消像旋“K鏡”技術成功的航天光學遙感器，此項技術將在我國明年發射的風云三號衛星的光學遙感器上繼續應用。
海洋一號衛星COCTS屬于我國海洋探測方面先進的航天光學遙感器之一，所采用的掃描技術具有鮮明特點，微特電機及其相關技術發揮了重要作用。隨著我國航天遙感器技術的進一步發展，在空間對地中高分辨率探測領域，不論海洋、氣象還是陸地遙感，該項技術將會擁有更加廣闊的應用前景。
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