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报告网网讯，随着航天技术的不断发展，步进电机在空间光学遥感器中的应用日益广泛。在航天领域，步进电机因其无定位累计误差等优点，成为空间光学遥感器机构的关键驱动元件。然而，随着遥感相机规模和复杂程度的提高，传统步进电机驱动电路的设计面临着电路规模过大、成本过高以及系统功耗过高等问题。为解决这些问题，多通道星载步进电机驱动复用技术应运而生，成为当前研究的热点。本文将探讨多通道星载步进电机驱动复用技术的设计架构、电路设计以及试验验证，展示其在大规模步进电机驱动控制与弱电流锁定功能方面的优势。
一、步进电机驱动复用技术的设计架构
《2024-2029年中国步进电机市场专题研究及市场前景预测评估报告》指出，多通道星载步进电机驱动复用技术的核心在于通过一套共用驱动电路实现多台步进电机的分时运动控制和同步锁定功能。该技术采用金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和整流二极管等器件，取代了传统的继电器切换方式，显著减轻了系统指令资源压力，缩减了电路规模，并降低了控制器质量。具体设计架构包括电源转换模块、控制模块、选通开关模块、复用驱动模块和防串电模块。电源转换模块提供步进电机驱动所需的功率电;控制模块负责控制选通开关模块的使能状态和复用驱动模块的输出逻辑;选通开关模块根据控制模块的使能信号，将功率电输出到相应电机和防串电模块;复用驱动模块通过调节控制信号的频率和占空比，实现步进电机的有序运转和同步锁定;防串电模块则防止相间串电，为绕组提供电流续流通路。
二、步进电机电路设计：实现高效驱动与锁定功能
(一)控制模块
控制模块采用FPGA作为主控芯片，配备低压差线性稳压器(LDO)、晶振和复位电路。LDO为FPGA提供核心工作电压和I/O驱动逻辑电压，晶振频率为20MHz，作为FPGA的主时钟频率。复位电路结合系统上电复位和定时器电路，确保系统在上电和运行紊乱时能够可靠复位。FPGA输出开关信号到选通开关模块，控制其使能状态;输出控制信号到复用驱动模块，控制其输出逻辑。
(二)选通开关模块
选通开关模块集成多路电机驱动信号通道，每路控制单台步进电机。该模块接收控制模块的开关信号，通过反相缓冲器进行电平变换，将输出信号上拉处理，低电平为0V，高电平为+12V。内部开关管采用P沟道MOSFET(P-MOSFET)，当控制模块发出的开关信号为低电平时，P-MOSFET关断，功率电无法输出;当开关信号为高电平时，P-MOSFET导通，功率电输出到防串电模块和相应电机。
(三)复用驱动模块
复用驱动模块通过一套共用驱动电路实现多通道步进电机的驱动，使步进电机可以有序运转或同步锁定。该模块由高速驱动芯片、MOSFET和瞬态电压抑制二极管组成。高速驱动芯片处理FPGA控制信号，实现电平转换与驱动能力增强。N沟道MOSFET(N-MOSFET)的导通状态由控制模块发出的控制信号决定，使步进电机四相有序导通，从而控制电机正常转动。同时，通过发送高频脉宽调制信号，实现步进电机同步弱电流锁定功能。瞬态电压抑制二极管并联在N-MOSFET两侧，防止开关管在高频调制下被感生电压击穿。
(四)防串电模块
防串电模块由整流二极管构成，其一端接收选通开关模块的功率电，另一端连接到复用驱动模块的驱动端。该模块将整流二极管与步进电机的绕组串联，防止相间串电，同时为绕组提供电流续流通路。当电机进行同步锁定时，复用驱动模块内的N-MOSFET在高频脉宽调制信号作用下快速导通/关断，使得绕组电流维持在一个较小范围。整流二极管的选取至关重要，其正向导通电流需高于电机的额定电流，反向峰值电压要大于3倍的功率电压。
三、步进电机试验验证：分时运动与同步锁定功能
为验证设计的多通道星载步进电机驱动复用电路的性能，选用10台步进电机作为负载进行测试。测试平台通过示波器观测控制信号、电源电流波形以及电机运行和锁定情况，验证10台电机的分时运动控制及同步弱电流锁定功能。测试结果表明，10台电机分时运动功能正常，运行频率为20Hz，单台电机的相电流为3A;同步弱电流锁定功能正常，调制频率为100kHz，占空比25%，单台电机的锁定电流最大为0.5A，仅为传统单相锁定电流的1/6，有效降低了系统发射功耗。
四、步进电机驱动复用技术的工程应用价值
步进电机行业现状分析指出，多通道星载步进电机驱动复用技术在大规模步进电机驱动控制与同步锁定功能方面展现出显著优势。该技术不仅实现了分时运动控制，还通过同步弱电流锁定功能大幅降低了系统功耗，提高了空间光学遥感器在发射过程和在轨运行中的可靠性。此外，该技术缩减了电路规模，减轻了控制器质量，节省了系统指令资源，具有良好的工程实用价值，适用于需要大规模步进电机驱动以及同步锁定的场景。
总结
2025年，随着航天技术的不断进步，步进电机在空间光学遥感器中的应用前景广阔。多通道星载步进电机驱动复用技术通过创新的电路设计，实现了大规模步进电机的分时运动控制和同步弱电流锁定功能，有效解决了传统设计中存在的电路规模过大、成本过高以及系统功耗过高等问题。该技术不仅提高了空间光学遥感器的可靠性，还为航天领域的大规模步进电机应用提供了新的解决方案，具有重要的工程应用价值。
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