用于空间应用的电机控制器

Microchip Technology 宣布推出属于其空间系统管理器 (SSM) 产品系列的抗辐射混合信号电机控制器。在太空任务中，空间和重量总是具有挑战性。借助这款新产品，Microchip 通过提供新的 LX7720 控制器来增强其产品组合。新型 LX7720 为多轴指向机构和光学元件的精确运动控制提供机器人控制解决方案。它减少了外部组件的数量，减少了对空间环境有害的电势。同时，BOM 的减少也减轻了设备的重量，这在太空任务中一直是个问题。LX7720 提供四个半桥 N 通道金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 驱动器、四个浮动差分电流传感器、

空间环境

太阳风、宇宙射线和范艾伦的波段对电子电路进行了测试。这些辐射主要由电子、质子、中微子、正电子、光子等具有电离能力的粒子组成，能够破坏原子间的共价键。

由于电离，场效应晶体管（例如 MOSFET）和双极结型晶体管 (BJT) 都会在晶体管中发生损坏。在 MOSFET 的情况下，电离是由影响二氧化硅（绝缘层）的带电粒子引起的；它通过将电子-空穴对引导到氧化物-硅界面来诱导电子-空穴对的断裂，在那里它会产生“陷阱”状态，从而减少有效载流子的数量，从而降低晶体管的阈值电压。相反，在 BJT 中，这些粒子会增加基极电流，因此会降低整体增益。

每个单粒子效应 (SEE) 背后的机制包括粒子通过后设备敏感区域中的电荷积累。一列直径从几百纳米到几微米的电子-空穴对通过半导体器件中的哥伦比亚相互作用沿路径释放。根据几个因素，粒子可能会导致不可观察的影响、微处理器电路操作的瞬态干扰、逻辑状态的变化（SEU、SEL）或对设备或集成电路（SEGR、SEBO）的永久性损坏。

近年来，多种因素的变化共同降低了进入太空的成本。微型低地球轨道 (LEO) 卫星为各种科学任务提供了有用的数据。

太空中的电子系统必须承受极端温度和相关的热循环，这会使集成电路及其封装承受机械应力。然而，与传统的“太空定制”组件相比，新型太空塑料集成电路可以为较低高度的任务提供成本和尺寸优势。

运动控制

航天器依靠电动机来实现姿态控制、展开机制和超精细运动等重要功能。在这些应用中，电动机必须在高真空、辐射和高工作温度环境中具有较长的使用寿命和高可靠性。

可以使用永磁同步电机 (PMSM) 和微步进电机。步进电机不需要 PMSM 实现磁场定向或其他控制系统所需的计算密集型 PI 控制回路，但加速/减速和绝对扭矩性能较差。

在空间应用中，需要最高级别的可靠性，因为除了某些工作条件外，卫星发射后无法进行维修或重新校准。通过对发动机进行数字控制，可以实施复杂的故障检测算法，以优化性能，从而优化发动机的使用寿命。通过数字控制，可以最大限度地减少卫星太阳能电池板产生的能量消耗或存储在其电池中的能量。

Microchip 重点介绍了 LX7720 如何与高达 40 kHz PWM 的传统 NMOS 电机驱动晶体管和 12 位球场中的电机电流测量一起工作（使用 sigma-delta ADC，在延迟和精度之间存在直接的权衡）。随着 FPGA 以越来越高的频率运行（Microchip 的 RT PolarFire ® FPGA 的数学模块运行频率高达 450 MHz），频率也随之上升以提高精度。使用 GaN FET 作为功率晶体管，可以使用 GHz+ 时钟实现 200 kHz+ 范围内的 PWM，以实现 12 位+ 精度。

航天器电子工程师喜欢在驱动端实施高侧电流检测电阻器并测量输入/输出每个绕组的双向电流，这是一种低成本且紧凑的方法，在 180°C 温度范围内运行时不会出现任何问题。这要求 LX7720 包含浮动差分放大器来测量感应电压，并且与无刷直流电机和步进电机同样有效。其他电流感应技术（例如感应变压器）也很好，因为您最终需要获取电压。

图 1：带有 LX7720 的典型电机驱动器系统（来源：Microchip）

卫星和其他空间仪器系统包含许多用于发动机控制的应用。这些应用包括精确控制也用于科学研究的镜子和透镜的运动。通过旋转和位置检测，LX7720 为无刷直流电机 (BLDC)、永磁同步电机 (PMSM) 和其他最常用于太空的电机提供电机驱动器和线性执行器的伺服控制。LX7720 已通过 MIL-PRF-38535 V 类和 Q 类认证。LX7720 可提供高达 100 krad 的 TID（总电离剂量）和高达 50 krad 的最低单事件暴露率（ELDRS，增强型低剂量率敏感度）的辐射耐受性。

审核编辑：汤梓红