Установка положения спутника в пространстве осуществляется с помощью электродвигателей, снабженных маховиками. В статье рассмотрены основные моменты по проектированию печатной платы, обеспечивающей вращение двигателя, снабженного маховиком, и написанию программного обеспечения, реализующего управление электродвигателем.
Печатная плата
Основным требованием к печатной плате, кроме её работоспособности, является ее электромагнитная совместимость (ЭМС). Так как размеры наноспутника малы, а электродвигатели являются одним из основных источников электромагнитных помех, то ЭМС данного звена спутника особо важна. Поэтому расположение печатной платы, управляющей электродвигателями, внутри спутника, должно быть выбрано так, чтобы возникающие помехи не оказывали влияния на другие элементы аппарата. Отсюда возникает решение закрепить печатную плату на электродвигателе.
Далее рассмотрим путь создания единой печатной платы отвечающей за управление всеми двигателями, находящимися в наноспутнике. В наноспутнике расположено четыре электродвигателя, печатная плата представляет собой четыре одинаковых блока, каждый из которых управляет своим двигателем. Далее речь будет идти об одном из таких блоков, разведенном на специальной одноканальной макетной плате.
Одноканальную плату можно разбить на несколько блоков: датчики обратной связи, силовая часть, интерфейсы связи с другими устройствами (для удобства программирования платы), вычислительная часть. (представлены на рисунке 1)
Питание
Питание платы определяется электродвигателем. Под питание на плате выделен отдельный слой, он разделен на 3 полигона, с напряжениями 5V0, 3V3, 7_12V0 (рисунок 2). Еще один полигон питания 3V0, необходим как опорное напряжение для датчиков обратной связи, для уменьшения наводок от других полигонов питания, он размещен на верхнем сигнальном слое (рисунок 3).
Датчики обратной связи
Для реализации векторного управления (field-oriented control - FOC) необходимо иметь обратную связь от электродвигателя, чтобы в каждый момент времени иметь возможность определить угловое положение ротора и его скорость. Внутри двигателя вмонтированы датчики Холла, они бывают цифровыми и аналоговыми. Если в электродвигателе вмонтированы аналоговые датчики Холла, то сигналы с них необходимо подвести к АЦП входам микроконтроллера, при наличии цифровых датчиков, сигналы подводятся к GPIO входам МК. Также необходимо измерять ток в обмотках статора электродвигателя, для этого на плате расположены три усилителя измеряемого напряжения. Внутренний АЦП микроконтроллера обрабатывает данные с усилителей сигнала.
Силовая часть
Двигатель имеет три вывода (три фазы) на которые в разные моменты времени подается «+» или «‑» питания. Это реализуется с помощью электронных ключей, включенных по мостовой схеме, представленной на рисунке 4.
Мостовая схема может быть реализована с помощью МОП-транзисторов, реализация представлена на рисунке 5. Выбор силовых транзисторов делается на основании данных о максимальном возможном токе и напряжении питающей сети двигателя. С другой стороны, при проектировании силовой части можно использовать драйверы электродвигателей, которые содержат внутри себя мостовой каскад. Примером такой микросхемы является драйвер STSPIN830 от компании STmicroelectronics, его блок-схема представлена на рисунке 6. Использование подобных микросхем позволяется уменьшить размер печатаной платы и количество компонентов на ней.
Внешние интерфейсы
При разработке программного обеспечения требуется обратная связь от микроконтроллера, для проверки корректности работы прошивки. Поэтому на плате предусмотрен преобразователь USB-UART, а также связь по интерфейсу CAN.
Вычислительная часть
Вычислительная часть платы состоит из микроконтроллера STM32L496RG и микросхемы памяти MR25H40VDF.
Программное обеспечение
Спроектированное аппаратное решение позволяет реализовать три различных алгоритма управления электродвигателем.
Первый алгоритм управления можно назвать PMSM Сontrol. Данный алгоритм является более простым, чем векторное управление и требует меньше вычислений “на ходу”. В отличии от FOC, где по известному угловому положению ротора в каждый момент времени устанавливается нужное положение вектора магнитного поля статора, в алгоритме управления PMSM Control, вектор магнитного поля статора постоянно вращается. Причем скорость его вращения полностью определяется скоростью вращения ротора. Электродвигатель возбуждается синусоидальными токами, иначе говоря график зависимости разности напряжений между фазами от времени является синусоидой. Для этого на каждой фазе двигателя возбуждается напряжение, зависимость от времени которого представлена на рисунке 7.
Так как напряжение питания является постоянным, то для генерации определенного уровня напряжения используется ШИМ. Для каждой из трех фаз существует таблица со значениями скважности ШИМ для прохождения 360 электрических градусов вектора статора. У такого подхода есть два преимущества:
максимальная амплитуда генерируемого напряжения выше, чем при генерации чистой синусоиды на каждой фазе. Как следствие получается более высокий момент и угловая скорость.
каждый вывод двигателя треть времени подключен к "земле", что сокращает потери мощности на коммутацию.
При данном методе регулирования токи в фазах двигателя не измеряются, используется только обратная связь по датчикам Холла. Происходит подстройка скорости вращения вектора статора в зависимости от реальной скорости вращения ротора, также при срабатывании цифрового датчика Холла, происходит сравнение текущего углового положения ротора и положение вектора статора, в зависимости от скорости вращения, настраивается угол опережения статора от ротора. Данный алгоритм управления синусоидальными токами подходит как для PMSM двигателей, так и для BLDC.
Вторым более сложным алгоритмом управления является классическое векторное регулирование для PMSM двигателей или управление коммутацией по датчику положения ротора для BLDC двигателей, подробно данные алгоритмы описаны в источнике [3].
Современные среды разработки алгоритмов управления содержат в себе готовые модели с реализованным векторным управлением электродвигателей. Одной из таких сред динамического моделирования является SimInTech. С помощью данного ПО можно реализовать алгоритм управления из готовых блоков, протестировать его на смоделированном электродвигателе с заданными параметрами, сгенерировать Си код под микроконтроллер STM32. Далее вместо смоделированного электродвигателя выступает реальный двигатель, алгоритм выполняется на спроектированной плате, а органом управления является ПК, на котором отображаются все показания системы. Данный подход является самым интересным в реализации и позволяет полностью изучить возможности электродвигателя.
Литература:
[1] Ott H. W.
Electromagnetic Compatibility Engineering.
[2] Семен Тютюков
Практические рекомендации по разработке печатных плат.
[3] Ю. Н. Калачев
"SIMINTECH: основы регулируемого электропривода - антиучебник".
[4] Microchip
[5] Avislab
https://blog.avislab.com/stm32-pmsm/
Комментарии (13)
Hik
05.08.2023 11:18+2Было бы хорошо, если не было бы так плохо.
Что за наноспутник? Какой тип? Какая орбита?
Установка положения спутника в пространстве осуществляется с помощью электродвигателей, снабженных маховиками. В статье рассмотрены основные моменты по проектированию печатной платы, обеспечивающей вращение двигателя, снабженного маховиком, и написанию программного обеспечения, реализующего управление электродвигателем.
Где написание программного обеспечения? То, что написано это легкий ветерок алгоритмов управления.
3.
Основным требованием к печатной плате, кроме её работоспособности, является ее электромагнитная совместимость (ЭМС). Так как размеры наноспутника малы, а электродвигатели являются одним из основных источников электромагнитных помех, то ЭМС данного звена спутника особо важна. Поэтому расположение печатной платы, управляющей электродвигателями, внутри спутника, должно быть выбрано так, чтобы возникающие помехи не оказывали влияния на другие элементы аппарата. Отсюда возникает решение закрепить печатную плату на электродвигателе.
Основным требованием к плате является ее надежность, на которую в свою очередь влияет ЭМС. Судя по тому, что автор пишет, ЭМС это только аббревиатура. Нет в Вашем проекте ЭМС, от слова совсем.
Трассировка платы. Автор либо имеет мало опыта, либо студент 3-4 курса. Трассировка кишит классическими детскими ошибками. Тут не то, что ЭМС не видно так в дополнение если производить этот модуль серийно на автоматизированной линии, то брака будет на выходе процентов 70.
По тому куску схемотехники и описанию можно в целом понять, что долго изделие на орбите не проработет.
Выбор силовых транзисторов делается на основании данных о максимальном возможном токе и напряжении питающей сети двигателя.
Выбор силовых транзисторов делается не только на основании этих двух параметров, где более критичные для данной задачи параметры?
Можно долго еще писать об ошибках автора, но это не статья для хабра. Или хотя бы поставте теги для новичков, DIY. И вначале добавить, что-то вроде "я студент, не судите строго".
Что за вуз?
egobun Автор
05.08.2023 11:18Здравствуйте, спасибо за комментарий.
1)Первая часть статьи указывает на основные моменты при проектировании железа для управления электродвигателя. Описываемая плата может вращать маховики в диаметре от 2 см до 20 см, ток обмоток статора до 1 А. Поэтому не уточняется тип наноспутника.
2)Статья написана для людей, которые только начинают разбираться в этом вопросе. Она может являться фундаментом для изучения указанной мной литературы, которая является общепризнанной.
3)При разработке данной платы правилам ЭМС было уделено внимание. Из вашего комментария не понял в чем конкретно не соблюдены правила ЭМС.
4)Не ясно о каких детских ошибках трассировки вы говорите.
5)Согласен, что данная схемотехника ключей является достаточно спорным решением, поэтому в статье говориться о возможном использовании микросхемы STSPIN830, которую я и использовал в своём проекте. Выбор транзисторов, согласен, описан не корректно.
Спасибо, за критику. Я студент, можно судить строго.
Hik
05.08.2023 11:18Извините, но как-то маловато у Вас основных моментов. Звучит как вот задача, ну тут надо раз и два сделать, вот результат. А остальное где? А то прям магия.
-
Прочитав эту заметку люди могут сложить ложное мнение, что это очень просто и побегут исполнять проекты которые будут кишить теми же ошибками. Слышали когда-нибудь про качующие ошибки повторяемые новыми авторами без осмысления.
Она не может являться фундаментом. Фундаментом будет являться 5 летнее образование радиоинженера+года 3 опыта. Тогда можно заходить в эту область.
Поэтому расположение печатной платы, управляющей электродвигателями, внутри спутника, должно быть выбрано так, чтобы возникающие помехи не оказывали влияния на другие элементы аппарата. Отсюда возникает решение закрепить печатную плату на электродвигателе.
Подумайте над этим еще раз. А самое главное кто и какие помехи создает (типы помех и частоты).
Зазоры между полигонами настолько малы, что помехи у Вас будет ползать туда сюда.
Контур заземления для каких целей Вам, что и куда Вы собрались спускать (я о помехах)
4.
Накидал несколько (это далеко не все). В результате Вы получите непропаи, надгробные камни, непротравы. И это я еще не видел схематика и всего, что касается платы.
Если это не курсач, а инициативная студ. работа, то где куратор? Хотя даже если курсач, где руководитель. Нормальный руководитель давно бы объяснил, что не так и куда надо смотреть. Если собственный проект, тогда похвально.
Но статьи на хабре должны быть на серьезном уровне.
Gemerus
05.08.2023 11:18+1Хорошая, добротная курсовая работа! Но крайне далекая от решения реальных задач, к сожалению.
SerhiiBozhynskyi
05.08.2023 11:18-3Статья представляет увлекательный и информативный обзор процесса проектирования и программирования аппаратного обеспечения для управления электродвигателем в наноспутнике. Она предоставляет ценные инсайты в области космической технологии и демонстрирует сложности, с которыми сталкиваются инженеры при разработке систем для работы в космической среде. Описанные методы и технологии представляют важный вклад в улучшение надежности и эффективности наноспутников, делая статью интересной для всех, кто интересуется разработкой космических систем.
Hik
05.08.2023 11:18+2Вы шутите, да? Вы случаем не одногрупник-соавтор)
Это аннотация к статье в журнал? Набираем индекс самоцитирования?
Данная статья ничего увлекательного, а тем более информативного не представляет. О каких "инсайтах в области космической технологии" вообще речь. Нет как в задаче, так и "статье" (это не статья, а скорее пост для дзен) сложностей для инженеров - это я Вам как инженер заявляю.
SerhiiBozhynskyi
05.08.2023 11:18-1Незнаю как вам,но мне саттья понравилась.
Но я считаю что ему необходимо также учитывать ограничения наноспутника, такие как ограниченная масса и энергопотребление, чтобы обеспечить оптимальное функционирование всей системы.
SerhiiBozhynskyi
05.08.2023 11:18-1Вот несколько инсайтов, которые могут быть полезны при разработке такой системы:
Ограниченные ресурсы: Наноспутники обычно имеют ограниченные ресурсы, такие как масса, размеры, энергопотребление и процессорная мощность. При проектировании системы управления электродвигателем важно оптимизировать железо и программное обеспечение, чтобы соответствовать этим ограничениям.
Надежность: Космическая среда крайне враждебна и ошибки могут быть катастрофичны. При проектировании и программировании системы управления, необходимо уделить особое внимание надежности и отказоустойчивости компонентов и программного обеспечения.
Радиационные факторы: Космические условия включают высокую радиацию, которая может повлиять на работоспособность электронных компонентов. При выборе железа и программировании управления, следует учитывать радиационную устойчивость и возможные воздействия.
Система обратной связи: Для точного управления электродвигателем необходима система обратной связи, предоставляющая информацию о текущем состоянии двигателя и его позиции. Это поможет управляющей системе поддерживать заданные параметры и повышать эффективность работы двигателя.
Автономность: Наноспутники часто работают в условиях удаленной связи или отсутствия связи с Землей. Поэтому система управления должна быть способна функционировать автономно и принимать решения без постоянного взаимодействия с земным контролем.
Тестирование: Поскольку доступ к наноспутнику ограничен, необходимо предусмотреть методы удаленного тестирования и отладки системы управления. Такие тесты должны быть основательными и предвидеть различные космические условия.
Соблюдение стандартов: В космической технологии существуют строгие стандарты и нормативы, которым должны соответствовать разрабатываемые системы. При проектировании и программировании железа для управления электродвигателем, следует учитывать эти стандарты, чтобы обеспечить безопасность и надежность работы.
Проектирование и программирование железа для управления электродвигателем в наноспутнике требует внимания к деталям, инженерной компетентности и учета специфических космических условий. Такие системы играют ключевую роль в успешной миссии наноспутника, и их разработка должна быть тщательной и безошибочной.
Hik
05.08.2023 11:18+1Почему у меня создается четкое ощущение, что я читаю текст из книги/лекции/статьи?
Из всех пунктов, что Вы описали у меня не создалось впечатление, что Вы в полной мере владеете вопросом или же не можете грамотно довести свою мысль.
Масса - это не ресурс, размеры - это не ресурс. Ресурс который действильно должен был прозвучать так это ресурс работы в часах. Поскольку в ТЗ оно обязано быть.
Я не зря спрашивал, что за спутник и какова орбита. О каком космосе Вы ведете речь? О какой надежности идет речь? Что за общие фразы?
О чем опять речь? О какой радиации? Вы серьезно думаете, что кубсаты на орбите сплошь в металлокерамике и по цене боинга)))
ТАУ 3 курс.
Кто Вам такую чушь сказал? Нехватает только плаката "Даешь ИИ в каждый Cubesat!"
Поскольку доступ к наноспутнику ограничен, необходимо предусмотреть методы удаленного тестирования и отладки системы управления
Ну да, доступа то нет, но удаленное тестирование от сервера с земли надо чтобы работало.
-
"Космическая технология" - надо запомнить) Ну хоть один стандарт или норматив, который применяется применительно к наноспутникам можете назвать?
Вывод: Не зачет. На пересдачу. По какому предмету курсач?
В одном согласен должны быть инженерные компетенции, коих тут нет.
RV3EFE
Здравствуйте! У меня есть несколько вопросов к блоку. Так как схемотехника не приводится, возможно что-то не правильно понял.
На картинке отметил:
1) кажется полигон этого питания недостаёт до VIA конденсатора. Наверное полигон надо было сделать чуть более сложной формы?
2) и второй обведённый момент также вызывает вопрос. Для этого драйвера питание его лучше разместить под слоем его земли. Или нет?
3) вот тут интересно, одного каскада усилителя не хватило для измерения падения напряжения на шунтовом резисторе, или там какой-то компаратор или фильтр реализован? И ещё вопрос, а чем продиктовано применение ОУ в отдельных корпусах? кажется в одном корпусе 4 ОУ было бы компактнее, насколько понимаю, для спутников это может быть важно. Ещё не увидел повторителя - буфера для источника опорного напряжения, с него просто на ОУ заходит напряжение?
4) это же подключение usb? Дифпара с последовательными резисторами?
Мне показалась тема статьи интересной, но плохо раскрытой. Возможно где-то NDA помешал Вам это сделать...? Если будет продолжение с более глубоким погружением, то будет классно.