某型空中加油機(jī)加油吊艙渦輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能研究

0 引言

　　本文中所研究的電動(dòng)機(jī)是某型號(hào)空中加油機(jī)加油吊艙控制系統(tǒng)上的一種特殊耐高溫步進(jìn)細(xì)分控制電動(dòng)機(jī)，是加油吊艙控制系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行元件，見(jiàn)圖1。電動(dòng)機(jī)接受吊艙控制系統(tǒng)的指令信號(hào)后驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。

圖1驅(qū)動(dòng)電機(jī)在加油吊艙的位置

　　雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但其并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)決非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。所述空中加油機(jī)加油吊艙沖壓空氣渦輪中的步進(jìn)電機(jī)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)的理論分析

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型主要有反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(VariableReluctance，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PermanentMagnet，簡(jiǎn)稱(chēng)PM)、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(Hybrid，簡(jiǎn)稱(chēng)HB)。

圖2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成框圖

　　混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，也稱(chēng)為永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，最早見(jiàn)于美國(guó)專(zhuān)利，稱(chēng)為SLO-SNY電動(dòng)機(jī)[1]。混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常有二相、三相、四相和五相，圖3為典型二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)。定子鐵心上有若干大極齒，在每個(gè)大極齒上設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心分為兩部分，兩部分的鐵心相差半個(gè)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(diǎn)看，應(yīng)該說(shuō)它也是永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。磁鋼在電動(dòng)機(jī)工作中的作用反映了永磁電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，另一方面又像反應(yīng)式一樣，定、轉(zhuǎn)子表面開(kāi)有齒槽使步距角做得很小。它是反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)合，可以做成像反應(yīng)式一樣的小步距，也具有永磁式控制功率小的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足了空中加油機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)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(yùn)行，可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)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(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，幾乎不受外界條件影響，高精度時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　(4)具有良好的控制性和響應(yīng)性，易于起動(dòng)、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(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。

圖3混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

　　同時(shí)，該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在以下缺點(diǎn):

　　(l)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載要與電動(dòng)機(jī)的參數(shù)及傳動(dòng)裝置適當(dāng)配合，才能獲得良好的步進(jìn)性能。

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

　　2 沖壓空氣渦輪驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的工作過(guò)程及原理

　　空中加油機(jī)加油吊艙中加油泵輸出的燃油壓力通過(guò)調(diào)節(jié)沖壓空氣渦輪的槳葉角來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　槳葉角的調(diào)節(jié)靠步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)圓柱齒輪時(shí)，滾珠螺旋副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換成絲杠的直線運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)有三種工作方式：斷電狀態(tài)、正/反向運(yùn)行狀態(tài)和鎖相狀態(tài)。

　　步進(jìn)電機(jī)處于斷電狀態(tài)時(shí)，槳葉處于起始位置，稱(chēng)為順槳狀態(tài)。設(shè)此時(shí)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(dòng)。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(dòng)的力矩有5個(gè)：

　　M氣—槳葉所受氣動(dòng)力中心偏離轉(zhuǎn)軸而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(xiāo)釘A上來(lái)自步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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減小；

　　F彈—作用在銷(xiāo)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力F驅(qū)存在時(shí)，使槳葉角增大的力矩要大于使其減小的力矩，而沒(méi)有F驅(qū)存在時(shí)，必須使槳葉角增大的力矩小于使其增大的力矩。因此步進(jìn)電機(jī)正向運(yùn)行時(shí)的槳葉角α增大，而反向運(yùn)行時(shí)，頂桿后進(jìn)，F(xiàn)驅(qū)=0，槳葉角α減小，達(dá)到調(diào)節(jié)槳葉角的目的。

　　當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于鎖相狀態(tài)時(shí)，頂桿被鎖住，因此槳葉角α不會(huì)變化。一旦步進(jìn)電機(jī)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，快速返回順槳位置（α=0）。

　　3 沖壓空氣渦輪驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使用性能的影響因素及改善

　　影響空中加油機(jī)加油吊艙沖壓空氣渦輪驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)整體性能的因素是多方面，不僅電機(jī)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件，驅(qū)動(dòng)器可根據(jù)實(shí)際需要選擇，如需高速高扭矩可選電壓較高的型號(hào)，而細(xì)分?jǐn)?shù)的應(yīng)用能很好的解決實(shí)際中的很多問(wèn)題。此外，控制程序的編寫(xiě)，加速度的設(shè)計(jì)及工步間的相互關(guān)系都會(huì)影響的實(shí)際的使用效果。

　　3.1沖壓空氣渦輪驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇

　　兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的種類(lèi)，從電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)上可分為單級(jí)驅(qū)動(dòng)和雙極驅(qū)動(dòng)；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(dòng)電壓的不同來(lái)分有直流驅(qū)動(dòng)器和交流驅(qū)動(dòng)器。

　　同樣的電機(jī)匹配不一樣的驅(qū)動(dòng)器有時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的差異，本文研究的沖壓空氣渦輪驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)要求運(yùn)行性能為：1個(gè)脈沖的定位精度，無(wú)累積誤差；大扭矩高速運(yùn)轉(zhuǎn)（5000rpm）；快速啟動(dòng)（30ms達(dá)到3000rpm的速度）；頻繁啟停（1秒內(nèi)做將近30次的啟停動(dòng)作）。為了實(shí)現(xiàn)近似苛刻的性能要求，采用高驅(qū)動(dòng)電壓的數(shù)字式PID控制的驅(qū)動(dòng)器。此類(lèi)驅(qū)動(dòng)器相對(duì)模擬量控制的驅(qū)動(dòng)器而言，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）較低的靜態(tài)電流噪音；

　　（2）靈活可調(diào)的啟動(dòng)電流；

　　（3）發(fā)熱量低；

　　（4）電機(jī)性能自動(dòng)匹配；

　　（5）可通過(guò)上位機(jī)（電腦）進(jìn)行在線調(diào)試等

　　3.2沖壓空氣渦輪驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)加減速曲線的作用

　　圖5是沖壓空氣渦輪驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的工作曲線圖，從圖中可以看出，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在陰影部分的運(yùn)行區(qū)時(shí)，電機(jī)將無(wú)法直接起動(dòng)，而必須先在起動(dòng)區(qū)域內(nèi)起動(dòng)，然后通過(guò)加速的方式才能夠到達(dá)該工作區(qū)域；同理，當(dāng)電機(jī)減速時(shí)，如果在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下直接停止，則會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步，無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，必須通過(guò)減速到達(dá)起動(dòng)區(qū)域后再進(jìn)行制動(dòng)。

圖5加減速工作曲線圖

　　從上圖中可以看出，起動(dòng)頻率越大，其起動(dòng)力矩越小，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)空載的情況下，可以以較高的速度啟動(dòng)（如10rps），而當(dāng)電機(jī)帶有負(fù)載時(shí)，需根據(jù)負(fù)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(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的說(shuō)，是將原來(lái)一步完成的動(dòng)作分幾步完成。

　　兩相步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.9°，當(dāng)給其輸入400個(gè)步進(jìn)脈沖后，電機(jī)將轉(zhuǎn)過(guò)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(jìn)驅(qū)動(dòng)器的控制由半步（400ppr）控制發(fā)展到現(xiàn)在的125細(xì)分（25000ppr），細(xì)分?jǐn)?shù)的應(yīng)用可以避開(kāi)機(jī)構(gòu)的共振區(qū)，改善電機(jī)低速的震動(dòng)，提高每個(gè)脈沖運(yùn)行的精度，提升電機(jī)的輸出性能。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于航空領(lǐng)域自動(dòng)控制系統(tǒng)中，是機(jī)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(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就是重點(diǎn)解決新型電動(dòng)機(jī)耐高溫、體積小、重量輕、功耗小、轉(zhuǎn)矩大、控制精度高、響應(yīng)速度快的問(wèn)題。總結(jié)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，分析了影響混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)整體性能的若干因素。

　　作者簡(jiǎn)介：周學(xué)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(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)

　　聯(lián)系電話:13548137542，

　　Email:200921080193@std.uestc.edu.cn

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　　項(xiàng)目來(lái)源：筆者長(zhǎng)期工作在航空機(jī)務(wù)維修一線，重點(diǎn)研究該型裝備的性能。