摘要：針對混合式步進電機驅(qū)動某型空中加油機加油吊艙沖壓空氣渦輪的工作過程，分析步進電機的結(jié)構(gòu)和使用特點，總結(jié)多元素影響下如何提高步進電機的工作性能。重點分析加減速度曲線、細分數(shù)等對電機性能的影響。

　　關(guān)鍵詞：空中加油機；加油吊艙；沖壓空氣渦輪；混合式步進電機；性能

　　0 引言

　　本文中所研究的電動機是某型號空中加油機加油吊艙控制系統(tǒng)上的一種特殊耐高溫步進細分控制電動機，是加油吊艙控制系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行元件，見圖1。電動機接受吊艙控制系統(tǒng)的指令信號后驅(qū)動頂桿，改變沖壓空氣渦輪的槳葉角，從而調(diào)節(jié)加油吊艙加油泵輸出的燃油壓力和流量。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。

圖1驅(qū)動電機在加油吊艙的位置

　　雖然步進電機已被廣泛地應用，但其并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。因此用好步進電機決非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。所述空中加油機加油吊艙沖壓空氣渦輪中的步進電機具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、控制精度高的要求。

　　1 沖壓空氣渦輪驅(qū)動步進電機的理論分析

　　步進電動機的類型主要有反應式步進電動機(VariableReluctance，簡稱VR)、永磁式步進電動機(PermanentMagnet，簡稱PM)、混合式步進電動機(Hybrid，簡稱HB)。

圖2步進電動機系統(tǒng)構(gòu)成框圖

　　混合式步進電動機，也稱為永磁感應子式步進電動機，最早見于美國專利，稱為SLO-SNY電動機[1]?；旌鲜讲竭M電動機通常有二相、三相、四相和五相，圖3為典型二相混合式步進電動機的結(jié)構(gòu)。定子鐵心上有若干大極齒，在每個大極齒上設(shè)計有若干小齒。在定子相鄰大極齒的槽內(nèi)放置繞組。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、永磁材料和軸組成。該型電動機的轉(zhuǎn)子鐵心分為兩部分，兩部分的鐵心相差半個齒距裝配而成，定、轉(zhuǎn)子小齒的齒距通常相同。永磁材料為軸向充磁的圓環(huán)形，位于轉(zhuǎn)子的中部。從它的磁路內(nèi)含有永久磁鋼這點看，應該說它也是永磁式步進電動機。磁鋼在電動機工作中的作用反映了永磁電動機的特點，另一方面又像反應式一樣，定、轉(zhuǎn)子表面開有齒槽使步距角做得很小。它是反應式和永磁式步進電動機的結(jié)合，可以做成像反應式一樣的小步距，也具有永磁式控制功率小的優(yōu)點，滿足了空中加油機加油吊艙沖壓空氣渦輪各種工作性能的要求。

　　沖壓空氣渦輪中混合式步進電動機的特點主要有：

　　(1)步距角能在很大的范圍內(nèi)變化，例如從幾分到幾十度，在小步距情況下，可以在超低速下獲得高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運行，可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動負載。

　　(2)在停止供電的狀態(tài)下，具有一定的自鎖能力。

　　(3)角位移輸出與輸入脈沖信號數(shù)相對應，步距誤差不長期積累，幾乎不受外界條件影響，高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　(4)具有良好的控制性和響應性，易于起動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速。轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率同步，可在相當寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。

圖3混合式步進電動機的典型結(jié)構(gòu)

　　同時，該步進電動機存在以下缺點:

　　(l)步進電動機的負載要與電動機的參數(shù)及傳動裝置適當配合，才能獲得良好的步進性能。

　　(2)由于存在失步和共振，需要加機械阻尼器，因此步進電動機的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復雜化。

　　2 沖壓空氣渦輪驅(qū)動步進電機的工作過程及原理

　　空中加油機加油吊艙中加油泵輸出的燃油壓力通過調(diào)節(jié)沖壓空氣渦輪的槳葉角來實現(xiàn)。

　　槳葉角的調(diào)節(jié)靠步進電機來實現(xiàn)。步進電機轉(zhuǎn)動經(jīng)過圓柱齒輪時，滾珠螺旋副將旋轉(zhuǎn)運動變換成絲杠的直線運動。步進電機有三種工作方式：斷電狀態(tài)、正/反向運行狀態(tài)和鎖相狀態(tài)。

　　步進電機處于斷電狀態(tài)時，槳葉處于起始位置，稱為順槳狀態(tài)。設(shè)此時的槳葉角α為零。

　　圖4是葉片安裝座的示意圖，槳葉繞其轉(zhuǎn)軸ο轉(zhuǎn)動。槳葉角α增大，渦輪轉(zhuǎn)速升高。作用在葉片安裝座上使槳葉轉(zhuǎn)動的力矩有5個：

　　M氣—槳葉所受氣動力中心偏離轉(zhuǎn)軸而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩，它的方向是使槳葉角α增大的方向；

　　M離—槳葉的離心力中心偏離轉(zhuǎn)軸而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩，它的方向是使槳葉角α增大的方向；

　　F驅(qū)—頂桿作用在銷釘A上來自步進電機的轉(zhuǎn)動力，它產(chǎn)生的力矩使槳葉角α增大；

　　M配—配重塊的離心力偏離轉(zhuǎn)軸而產(chǎn)生的力矩，它的方向是使槳葉角α減??；

　　F彈—作用在銷釘A上的順槳彈簧力，它產(chǎn)生的力矩使槳葉角α減小。

圖4沖壓空氣渦輪葉片安裝座的示意圖

　　步進電機的驅(qū)動力F驅(qū)存在時，使槳葉角增大的力矩要大于使其減小的力矩，而沒有F驅(qū)存在時，必須使槳葉角增大的力矩小于使其增大的力矩。因此步進電機正向運行時的槳葉角α增大，而反向運行時，頂桿后進，F(xiàn)驅(qū)=0，槳葉角α減小，達到調(diào)節(jié)槳葉角的目的。

　　當步進電機處于鎖相狀態(tài)時，頂桿被鎖住，因此槳葉角α不會變化。一旦步進電機斷電，順槳彈簧克服M氣，M離和滾珠螺旋副等的摩擦力帶動步進電機反轉(zhuǎn)，快速返回順槳位置（α=0）。

　　3 沖壓空氣渦輪驅(qū)動步進電機使用性能的影響因素及改善

　　影響空中加油機加油吊艙沖壓空氣渦輪驅(qū)動步進電機整體性能的因素是多方面，不僅電機本身的性能參數(shù)，其相關(guān)的相電阻、相電壓也至關(guān)重要。作為步進電機的驅(qū)動元件，驅(qū)動器可根據(jù)實際需要選擇，如需高速高扭矩可選電壓較高的型號，而細分數(shù)的應用能很好的解決實際中的很多問題。此外，控制程序的編寫，加速度的設(shè)計及工步間的相互關(guān)系都會影響的實際的使用效果。

　　3.1沖壓空氣渦輪驅(qū)動步進電機驅(qū)動器的選擇

　　兩相混合式步進電機驅(qū)動器的種類，從電機驅(qū)動技術(shù)上可分為單級驅(qū)動和雙極驅(qū)動；從控制核心技術(shù)上可分為傳統(tǒng)的模擬量控制和近幾年快速發(fā)展的數(shù)字式PID控制；從驅(qū)動電壓的不同來分有直流驅(qū)動器和交流驅(qū)動器。

　　同樣的電機匹配不一樣的驅(qū)動器有時會產(chǎn)生很大的差異，本文研究的沖壓空氣渦輪驅(qū)動步進電機要求運行性能為：1個脈沖的定位精度，無累積誤差；大扭矩高速運轉(zhuǎn)（5000rpm）；快速啟動（30ms達到3000rpm的速度）；頻繁啟停（1秒內(nèi)做將近30次的啟停動作）。為了實現(xiàn)近似苛刻的性能要求，采用高驅(qū)動電壓的數(shù)字式PID控制的驅(qū)動器。此類驅(qū)動器相對模擬量控制的驅(qū)動器而言，具有以下優(yōu)點：

　?。?）較低的靜態(tài)電流噪音；

　?。?）靈活可調(diào)的啟動電流；

　　（3）發(fā)熱量低；

　　（4）電機性能自動匹配；

　?。?）可通過上位機（電腦）進行在線調(diào)試等

　　3.2沖壓空氣渦輪驅(qū)動步進電機加減速曲線的作用

　　圖5是沖壓空氣渦輪驅(qū)動步進電機的工作曲線圖，從圖中可以看出，當電機運行在陰影部分的運行區(qū)時，電機將無法直接起動，而必須先在起動區(qū)域內(nèi)起動，然后通過加速的方式才能夠到達該工作區(qū)域；同理，當電機減速時，如果在高速運轉(zhuǎn)下直接停止，則會導致步進電機失步，無法實現(xiàn)準確定位，必須通過減速到達起動區(qū)域后再進行制動。

圖5加減速工作曲線圖

　　從上圖中可以看出，起動頻率越大，其起動力矩越小，當步進電機空載的情況下，可以以較高的速度啟動（如10rps），而當電機帶有負載時，需根據(jù)負載的大小決定起跳頻率的范圍，一般建議起跳速度在2rps到4rps之間。

　　步進電機的細分驅(qū)動簡單的說，是將原來一步完成的動作分幾步完成。

　　兩相步進電機的步距角為0.9°，當給其輸入400個步進脈沖后，電機將轉(zhuǎn)過360°，這就是最基本的整步控制方式。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，步進驅(qū)動器的控制由半步（400ppr）控制發(fā)展到現(xiàn)在的125細分（25000ppr），細分數(shù)的應用可以避開機構(gòu)的共振區(qū)，改善電機低速的震動，提高每個脈沖運行的精度，提升電機的輸出性能。

　　4 結(jié)束語

　　步進電動機作為執(zhí)行元件，已經(jīng)廣泛的應用于航空領(lǐng)域自動控制系統(tǒng)中，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一。本文研究的沖壓空氣渦輪驅(qū)動步進電動機就是重點解決新型電動機耐高溫、體積小、重量輕、功耗小、轉(zhuǎn)矩大、控制精度高、響應速度快的問題?？偨Y(jié)混合式步進電動機的結(jié)構(gòu)、工作原理和優(yōu)缺點，分析了影響混合式步進電動機整體性能的若干因素。

　　作者簡介：周學平，1982年，男，壯族，廣西寧明人，助理工程師，空軍定向電子科技大學碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動

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　　項目來源：筆者長期工作在航空機務維修一線，重點研究該型裝備的性能。