某型空中加油機加油吊艙渦輪驅動電機性能研究

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的關鍵執行元件，見圖1。電動機接受吊艙控制系統的指令信號后驅動頂桿，改變沖壓空氣渦輪的槳葉角，從而調節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的發展，步進電機廣泛應用在各種自動化控制系統中。

圖1驅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，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用，其系統框圖如圖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、轉矩大、控制精度高的要求。

　　1 沖壓空氣渦輪驅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步進電動機系統構成框圖

　　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構。定子鐵心上有若干大極齒，在每個大極齒上設計有若干小齒。在定子相鄰大極齒的槽內放置繞組。轉子由轉子鐵心、永磁材料和軸組成。該型電動機的轉子鐵心分為兩部分，兩部分的鐵心相差半個齒距裝配而成，定、轉子小齒的齒距通常相同。永磁材料為軸向充磁的圓環形，位于轉子的中部。從它的磁路內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矩穩定運行，可以不經減速器直接驅動負載。

　　(2)在停止供電的狀態下，具有一定的自鎖能力。

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

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

圖3混合式步進電動機的典型結構

　　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利用狀態的不同而復雜化。

　　2 沖壓空氣渦輪驅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節沖壓空氣渦輪的槳葉角來實現。

　　槳葉角的調節靠步進電機來實現。步進電機轉動經過圓柱齒輪時，滾珠螺旋副將旋轉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、正/反向運行狀態和鎖相狀態。

　　步進電機處于斷電狀態時，槳葉處于起始位置，稱為順槳狀態。設此時的槳葉角α為零。

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

　　M氣—槳葉所受氣動力中心偏離轉軸而產生的轉動力矩，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軸而產生的轉動力矩，它的方向是使槳葉角α增大的方向；
F驅—頂桿作用在銷釘A上來自步進電機的轉動力，它產生的力矩使槳葉角α增大；

　　M配—配重塊的離心力偏離轉軸而產生的力矩，它的方向是使槳葉角α減小；

　　F彈—作用在銷釘A上的順槳彈簧力，它產生的力矩使槳葉角α減小。

圖4沖壓空氣渦輪葉片安裝座的示意圖

　　步進電機的驅動力F驅存在時，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驅=0，槳葉角α減小，達到調節槳葉角的目的。

　　當步進電機處于鎖相狀態時，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，快速返回順槳位置（α=0）。

　　3 沖壓空氣渦輪驅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，其相關的相電阻、相電壓也至關重要。作為步進電機的驅動元件，驅動器可根據實際需要選擇，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，加速度的設計及工步間的相互關系都會影響的實際的使用效果。

　　3.1沖壓空氣渦輪驅動步進電機驅動器的選擇

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

　　同樣的電機匹配不一樣的驅動器有時會產生很大的差異，本文研究的沖壓空氣渦輪驅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（5000rpm）；快速啟動（30ms達到3000rpm的速度）；頻繁啟停（1秒內做將近30次的啟停動作）。為了實現近似苛刻的性能要求，采用高驅動電壓的數字式PID控制的驅動器。此類驅動器相對模擬量控制的驅動器而言，具有以下優點：

　?。?）較低的靜態電流噪音；

　　（2）靈活可調的啟動電流；

　?。?）發熱量低；

　?。?）電機性能自動匹配；

　　（5）可通過上位機（電腦）進行在線調試等

　　3.2沖壓空氣渦輪驅動步進電機加減速曲線的作用

　　圖5是沖壓空氣渦輪驅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時，電機將無法直接起動，而必須先在起動區域內起動，然后通過加速的方式才能夠到達該工作區域；同理，當電機減速時，如果在高速運轉下直接停止，則會導致步進電機失步，無法實現準確定位，必須通過減速到達起動區域后再進行制動。

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，電機將轉過360°，這就是最基本的整步控制方式。隨著控制技術的發展，步進驅動器的控制由半步（400ppr）控制發展到現在的125細分（25000ppr），細分數的應用可以避開機構的共振區，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 結束語

　　步進電動機作為執行元件，已經廣泛的應用于航空領域自動控制系統中，是機電一體化的關鍵產品之一。本文研究的沖壓空氣渦輪驅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、轉矩大、控制精度高、響應速度快的問題?？偨Y混合式步進電動機的結構、工作原理和優缺點，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。