中国报告大厅网讯，在2025年，步进电机行业技术持续演进，尤其是在空间光学遥感器领域，相关技术取得了显著进展。随着遥感相机规模与复杂程度的提升，星载步进电机的应用愈发广泛，对其驱动控制技术的要求也水涨船高。传统的驱动电路设计在面对大规模步进电机控制时暴露出诸多问题，促使行业积极探索创新解决方案，多通道星载步进电机驱动复用技术应运而生，为该领域带来了新的发展契机。

  一、空间光学遥感器中步进电机应用及传统设计困境

  步进电机凭借无定位累计误差等突出优点，在空间光学遥感器的驱动机构中占据重要地位。但随着遥感相机规模和复杂程度的提升，配套的机构种类增多，星载步进电机的通道数也随之增加。传统设计中，一套驱动电路对应一台步进电机，若要控制多台步进电机转动，需配置相应数量的驱动电路，这无疑给控制器的质量、成本等方面带来沉重压力。例如，多通道星载步进电机的驱动复用常采用继电器切换机制，随着电机数量增加，继电器规模相应扩大。考虑到航天器元器件电流降额以及切换的可靠性问题，继电器数量还需进一步增加。用于切换电机电流的继电器体积重量较大，为保证力学特性，需固定在结构板框上，大面积金属板框导致控制器质量显著增加。此外，继电器切换依靠开关指令，大量继电器的使用占用较多系统指令，对电路体积和软件资源都极为不利。

  空间光学遥感器在发射过程中，受振动和冲击等复杂环境影响，有些机构需进行锁定，以防止相对位置变化或对光学器件造成损伤。传统锁定机构设计通常采用步进电机单相通电方式实现锁定功能，但当需锁定的电机数量增加时，该方式存在显著问题：所需锁定电流呈倍数增长，导致系统功耗激增;实际锁定机构往往只需较小力矩即可满足使用需求，单相通电提供的力矩存在过度设计;造成能源与硬件资源的双重浪费。

  二、多通道星载步进电机驱动复用技术设计架构

  针对多通道星载步进电机的驱动复用难题，摒弃传统继电器切换方式，选用 MOSFET 及整流二极管等器件构成驱动电路。利用器件的单相导通特性，所有负载电机直接连接驱动信号源，同时独立控制各电机绕组的公共端，通过 MOSFET 的导通 / 关断操作选择目标负载电机，每路电机配置专属开关信号。由于各电机同相绕组接在一起，为防止串电现象，在各相绕组端串联整流二极管隔离潜通路。为实现弱电流锁定功能，复用驱动信号需通过高速驱动芯片处理，防止高频调制频率下驱动波形畸变，导致开关管通断异常。同时增加瞬态电压抑制二极管，防止开关管在信号高频调制频率下被感生电压击穿，起到浪涌保护作用。高频调制驱动信号的频率和占空比可根据电机实际参数匹配确定，以实现满足使用要求的弱电流锁定值。

  多通道星载步进电机驱动复用电路结构由电源转换模块、控制模块、选通开关模块、复用驱动模块、防串电模块组成。电源转换模块提供步进电机驱动所需功率电;控制模块一方面控制选通开关模块的使能状态，另一方面输出信号控制复用驱动模块的输出逻辑;选通开关模块接收控制模块使能信号，将功率电输出到相应电机及防串电模块;复用驱动模块接收控制模块控制信号，驱动内部 MOSFET 导通状态，使步进电机有序运转，通过调节控制信号频率和占空比，实现同步锁定;防串电模块并联在步进电机两端，防止相间串电，为绕组提供电流续流通路。

  三、多通道星载步进电机驱动复用电路设计详解

  (一)控制模块

  控制模块选用 FPGA 作为主控芯片，外围电路包括低压差线性稳压器(LDO)、晶振以及复位电路。LDO 提供 FPGA 所需的核心工作电压和 I/O 驱动逻辑电压，并采用多种电容进行近端去耦，保证电源稳定性。晶振频率选为 20MHz，作为 FPGA 主时钟频率。复位电路采用系统上电复位电路和定时器电路相结合的设计方法，系统刚上电及运行紊乱时，能对系统进行可靠复位。系统刚上电时，复位信号通过施密特触发器整形，使触发波形变化边缘更陡峭，防止电平处于亚稳态造成误触发。系统正常运行时，每隔一段时间 FPGA 复位计数器。当程序出现运行紊乱无法对定时器电路进行初始化时，计数器到达设定时间后输出信号反转，产生设定宽度脉冲信号，经逻辑门芯片后作为 FPGA 复位信号。计数器输出信号反转时间，可通过调节计数器外接振荡电路电容和电阻来调整。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，控制输出逻辑。

  (二)选通开关模块

  选通开关模块的主要作用是选中相应步进电机实现运动控制和锁定功能。它接收控制模块 FPGA 发出的开关信号，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，高电平为功率电 + 12V。选通开关模块内部开关管选取 P 沟道 MOSFET(P-MOSFET)，当控制模块发出的开关信号为低电平时，栅源电压为 0V，P-MOSFET 关断，电源转换模块提供的功率电无法输出到防串电模块及相应电机;当开关信号为高电平时，栅源电压为 - 12V，P-MOSFET 导通，功率电能够输出。通过这种方式，控制模块可选择为哪一台步进电机的公共端接入功率电。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。

  (三)复用驱动模块

  《2025-2030年全球及中国步进电机行业市场现状调研及发展前景分析报告》指出，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，使步进电机有序运转或同步锁定。它主要由高速驱动芯片、MOSFET 以及瞬态电压抑制二极管组成。复用驱动模块采用高速驱动芯片处理 FPGA 控制信号，实现电平转换与驱动能力增强的双重功能。选通开关模块内部反相缓冲器虽能进行电平变换，但信号频率提升到千赫兹级别后，高频信号传递到 MOSFET 栅极端易发生畸变，开关管的 Vgs 波形呈现三角波，不利于 MOSFET 导通。而选用高速驱动芯片，FPGA 输出的 100kHz 高频控制信号经其处理后，到达 MOSFET 的 Vgs 波形仍能保持良好完整性，无明显失真。

  步进电机各相的导通由 N 沟道 MOSFET(N-MOSFET)的开启状态决定。当 Vgs 为 0V 时，N-MOSFET 关断;当 Vgs 为 + 12V 时，N-MOSFET 导通。控制模块发出的控制信号驱动 N-MOSFET 导通状态，使步进电机四相有序导通，控制电机正常转动。同时可发送任意一相高频脉宽调制信号，通过调节 FPGA 输出信号频率和占空比，实现步进电机同步弱电流锁定功能。当采用高频脉宽调制信号进行电机锁定时，由于电机自身电感特性，关断瞬间会产生较大感生电压，若缺乏有效保护措施，该瞬态高压极易导致 N-MOSFET 栅源击穿。为防止漏源极间电压过高，在 N-MOSFET 两侧并联瞬态电压抑制二极管，该器件用于浪涌保护。选取的瞬态电压抑制二极管击穿电压上限不能超过 N-MOSFET 的漏源击穿电压，下限不能低于电源转换模块的功率电压。当 N-MOSFET 的漏源电压 Vds 高于瞬态电压抑制二极管击穿电压时，二极管能快速泄放脉冲电流，保证 N-MOSFET 不会因 Vds 过高而被击穿损伤。

  (四)防串电模块

  防串电模块主要由整流二极管构成，一端根据选通开关模块使能状态接收相应电机的功率电，另一端接到复用驱动模块驱动端。防串电模块将整流二极管并联到电机绕组两侧，当电机同步锁定时，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，使相应绕组电流值维持在较小范围。电机绕组两侧的整流二极管起到为相电流续流的作用，当 N-MOSFET 关断时，绕组电流通过整流二极管形成续流通路，使绕组电流达到稳定调制目的。

  防串电模块将整流二极管与步进电机绕组串联，并将多通道步进电机同相绕组串联的整流二极管负极相连，通过复用驱动模块的 N-MOSFET 控制其开启状态。当其中一台电机正常转动时，若没有防串电模块内相应整流二极管，其他通道电机各相也会有电流通过，导致该电机转动异常，电源转换模块输出功率增大。为防止串电现象，隔绝潜通路影响，整流二极管的选取至关重要。选用的整流二极管正向导通电流需高于电机额定电流，反向峰值电压要大于 3 倍的电源转换模块功率电压。

  四、多通道星载步进电机驱动复用技术试验验证

  为验证设计的多通道星载步进电机驱动复用电路分时运动控制以及同步锁定功能，选用 10 台步进电机作为负载被控对象搭建测试平台。通过示波器观测分时运动控制过程中的控制信号，判断步进电机运行方式及其运行频率;观测电源转换模块电流波形以及各电机运行和锁定情况，验证 10 台电机分时运动控制及同步弱电流锁定功能;观测同步锁定过程中的控制信号，判断弱电流锁定的调制频率及其占空比。

  测试结果显示，10 台步进电机分时运动时，FPGA 输出的控制信号频率为 20Hz，运行方式为四相单四拍。通过高速驱动芯片，将 FPGA 输出 + 3.3V 电平变换到 + 12V 电平。此时电源转换模块输出的功率电流为 3A，与步进电机额定电流值相符，即单台电机运动电流为 3A，验证了 10 台电机分时运动控制功能。电机同步锁定时，FPGA 输出的控制信号频率为 100kHz，占空比 25%。此状态下电源转换模块输出的功率电流在 0 - 5A 内波动，即单台步进电机锁定电流最大为 0.5A，是传统单相锁定电流(3A)的 1/6，实现了 10 台电机同步弱电流锁定功能。

  五、多通道星载步进电机驱动复用技术总结

  在2025年步进电机行业技术发展进程中，多通道星载步进电机驱动复用技术针对大规模步进电机驱动控制难点，提出了创新性解决方案。通过采用 MOSFET、整流二极管等器件构成驱动电路，取代传统继电器切换方式，有效减轻了系统指令资源压力，大幅度缩减电路规模，使控制器质量减小 1 - 2kg。同时，利用高频调制频率实现同步弱电流锁定功能，相比传统锁定方案，功耗大幅降低，单台电机锁定功耗约为单相锁定电流功耗的 1/36。经试验验证，以 10 台步进电机作为负载，该技术可实现分时运动控制功能，运行频率为 20Hz，单台电机相电流为 3A;同步弱电流锁定功能正常，调制频率为 100kHz，占空比 25%，单台电机锁定电流最大为 0.5A，能够满足空间光学遥感器机构不同档位的锁定需求，有效降低系统发射功耗。多通道星载步进电机驱动复用技术适用于需要大规模步进电机驱动以及同步锁定的场景，具有良好的工程实用价值，为空间光学遥感器领域的发展提供了有力支撑，推动了步进电机行业技术在航天领域的进一步应用与拓展。