航空放油閥通常采用旋轉式有刷直流電機, 通過蝸輪蝸桿機構或者旋轉絲杠結構驅動。這種機構經(jīng)過一定傳動比的減速以后, 輸出力矩大, 通過直線位置傳感器, 還可做到位置的精確控制, 并具有較強的斷電鎖緊力矩。但是, 直線運動機構體積大、重量重、傳動效率低, 齒輪嚙合存在機械磨損和“回差”,而且控制復雜, 可靠性不高。實際上, 飛機電液伺服閥、氧氣濃縮器壓縮閥、應急放油閥、電動活門、發(fā)動機油門桿、衛(wèi)星天線等直線運動場合的負載推力并不大, 使用蝸輪蝸桿機構或者旋轉絲杠結構僅僅希望能將旋轉運動變?yōu)橹本€運動, 但卻不適應飛機快速作動閥高可靠性、高靈敏度、高頻響和直接驅動的性能要求。
混合式直線步進電機(Hybrid Linear Stepping Motor, HLSM ) 是一種將脈沖信號轉換成直線運動的數(shù)字脈沖電機, 即使在開環(huán)條件下, 無須直線位移傳感器, 也能夠做到精確定位控制。該電機具有結構簡單、行程長、耗電省、溫升低、容易數(shù)字控制、無累積定位誤差、慣性小、互換性強和可直接驅動等明顯優(yōu)點。
目前, 采用稀土永磁(REPM) 材料的直線混合式步進電機發(fā)展較快, 在繪圖儀、計算機設備、機器人、精密儀表、傳輸設備、自動開門以及檢測控制等領域已得到廣泛的應用。而航空直線伺服系統(tǒng)要求具有可靠性高、維修性好、體積小、重量輕等特點之外, 還必須具有精度高、頻響快、靈敏度高的優(yōu)點, 所以研究高性能、高可靠性、高定位精度的直線步進電機具有實際意義。
基本特點與工作原理
直線步進電機按其電磁推力的產(chǎn)生機理可以分為變磁阻式和混合式兩種。前者結構簡單、成本低,缺點是無定位力矩, 不宜微步控制, 推力僅靠磁路不對稱提供, 數(shù)值偏小, 力矩波動大。
而混合式直線步進電機在加入稀土永磁材料以后, 即使在斷電的情況下, 永磁體也能夠產(chǎn)生一定的鎖定力矩, 并可保持動子在期望的步距位置上。在相同體積情況下產(chǎn)生的推力要比磁阻式直線步進電機大, 容易實現(xiàn)微步控制, 而且控制步距對參數(shù)不敏感, 一致性好。
通?；旌鲜街本€步進電機采用細分技術可實現(xiàn)較高的平穩(wěn)性, 能大大減小推力的波動, 比較適合在體積重量要求嚴格的航空航天領域使用。
混合式步進直線電機的磁場推力不僅和各相繞組通入的脈沖控制電流有關, 還和內部存在的固定永磁磁場大小有關。隨著各相繞組中控制電流發(fā)生變化, 使得各極下的磁場位置發(fā)生變化, 從而帶動步進電機動子產(chǎn)生直線步進運動。一般步進電機的步距角(位移分辨率) 與齒距、運行拍數(shù)和相數(shù)有關。
兩相平板型混合式直線步進電機的基本結構如圖1 所示。在圖1 中, 定子由開有等距齒槽的疊片鐵心組成, 動子由永久磁鐵和電磁鐵EMA 與EMB 組成。電磁鐵EMA 上安放集中繞組A , 具有1 和2 兩個磁極, 電磁鐵EMB 上安放集中繞組B, 具有3 和4 兩個磁極, 4 個磁極上還有幾個平行齒(圖1 中為2 個齒, 且定子和動子齒距相等)。當繞組沒有電流時, 永久磁鐵向所有的磁極提供了大致相等于Φ/2的常值磁通(Φ是永久磁鐵提供的總磁通)。
如果讓A 相繞組通入余弦電流, 同時讓B 相繞組通入正弦電流(如圖2 中虛線所示) , 則在0～ π/2范圍內, 線圈B 中的電流從零逐漸增加到最大, 使得極4 下的磁通由Φ/2 逐漸增大到它的最大值Φ ,而極3 下的磁通逐漸由Φ/2 下降到零。同時極1 的磁通隨著A 相電流下降而下降, 配合線圈B 使動子平滑均勻地向右移動。由于磁通具有力圖通過磁阻最小路徑的原理, 所以電流由大到小交變一次, 動子就嚴格地移動1 個齒距。
當A 相電流由最大值下降到零,B 相電流由零上升到最大值時, 動子沿平行軌道推進了1/4 個步距角; 如果A 相電流由最大值下降的同時, B 相電流由零開始上升, 當它們的值達到相等時, 則動子正好對應地移過1/8 個步距角。
控制系統(tǒng)構成與平穩(wěn)控制方法
本系統(tǒng)采用基于AT 89C2051 單片機為核心的數(shù)字控制技術。其控制系統(tǒng)硬件主要包括: 單片機CPU、細分控制驅動電路A 3957SLB、光電隔離與信號調理電路、系統(tǒng)保護電路、“看門狗”電路等。系統(tǒng)構成原理如圖3 所示。
為了實現(xiàn)混合式直線步進電機在運行中的平穩(wěn)性, 在控制上采用了細分控制策略。其控制方法是在每個齒距下, 對兩相直線步進電機繞組按細分規(guī)律通電, 采用每個整步距下逐漸變占空比的PWM 恒流控制辦法。即: 讓一相繞組的PWM 占空比按正弦規(guī)律由大變小, 另一相繞組的占空比按余弦曲線由小變大。這種逐漸過渡的變占空比控制方法可使電機磁勢幅值均勻變化, 出力均勻, 從而實現(xiàn)平穩(wěn)運行。
如果每個整步(不細分) 的細分步數(shù)為N , 則在每個輸入脈沖下步進電機運行步距為不細分時步距的1/n , 從正、余弦波形來看,<
