论文部分内容阅读
海洋水色仪属于典型的星载光机扫描仪之一。为了满足用户提出的探测灵敏度要求，海洋水色仪采用了“45°平面反射镜+K镜消旋+多元探测器并扫”的方案，并以混合式步进电机作为双镜扫描系统的驱动执行部件，因此，扫描系统能否连续平稳运行并具有较高的可靠性，对海洋水色仪获取良好质量的图像具有重要意义。
本论文的主要研究内容为：
1)根据海洋水色仪对扫描系统提出的连续平稳运行性能要求，通过研究混合式步进电机的工作原理，对步进电机的基本数学模型和相关方程组完成了数理推导，研究并分析了影响步进电机连续平稳运行的主要因素。发现步进电机振荡的根本原因在于转子到达稳定平衡位置后存在多余的动能，因此，抑制步进电机的振荡主要在于电机单步和连续运转过程中，尽可能吸收或者减弱电机除带动负载以外多余的动能。通过深入研究得到了定量化结果，为电机运行减小甚至消除振荡提供理论依据。
2)针对星载光机扫描仪中对于步进电机连续平稳运行和航天可靠性的要求，提出了合理有效的步进电机驱动控制方案，研究并解决了步进电机驱动控制方面的关键技术。通过合理选择电机和合适的负载惯量，采用与电机良好匹配的驱动方式和优化的驱动控制技术，成功实现了先进的电流细分和恒流斩波驱动等驱动技术在FPGA硬件系统中的高度集成，避开了电机的特征振荡区间，在设计中留有合理充分的力矩裕量，建立了步进电机的有关连续平稳运行和裕度测试方法，从而发挥出混合式步进电机的综合性能优势，满足了星载光机扫描仪在低速条件下连续平稳运行的高性能指标要求，验证了所提出的“步进电机、光机结构、驱动控制等系统参数一体优化设计”的技术方案。
3)课题研究结果均在工程任务当中得到了有效应用和实践检验。海洋水色仪的工作状态表明：2年多来，海洋水色仪扫捕系统中步进电机连续平稳运行状态良好，扫描镜系统的周期稳定性优于4×10-5、K镜系统的周期稳定性优于2×10-5，优于7×10-5的技术指标；配准时间5分46秒，优于6分钟的技术指标；S镜电机和K镜电机的配准角度为0.69°，优于1°的技术指标；S镜电机和K镜电机的总功耗为28W，优于30W的技术指标；电机力矩裕度指标均在5倍以上；以上结果均优于海洋水色仪提出的指标要求。
本论文的主要创新点为：
1)以海洋水色仪中的步进电机为目标，采用数理方法研究并分析了混合式步进电机连续平稳运行的工作机理，提出并验证了“步进电机、光机结构、驱动控制等系统参数一体优化设计”的技术方案。
2)本论文的研究结果已经应用于海洋卫星水色扫描仪中，并实现了先进的电流矢量恒幅均匀旋转细分驱动技术和恒流斩波驱动技术在FPGA硬件系统中的高度集成，改善了步进电机的连续运行平稳性，在保证电机系统力矩裕度的前提下，提高了航天工程应用的可靠性。