航空放油閥通常采用旋轉(zhuǎn)式有刷直流電機(jī), 通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)或者旋轉(zhuǎn)絲杠結(jié)構(gòu)驅(qū)動。這種機(jī)構(gòu)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(qiáng)的斷電鎖緊力矩。但是, 直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)體積大、重量重、傳動效率低, 齒輪嚙合存在機(jī)械磨損和“回差”,而且控制復(fù)雜, 可靠性不高。實(shí)際上, 飛機(jī)電液伺服閥、氧氣濃縮器壓縮閥、應(yīng)急放油閥、電動活門、發(fā)動機(jī)油門桿、衛(wèi)星天線等直線運(yùn)動場合的負(fù)載推力并不大, 使用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)或者旋轉(zhuǎn)絲杠結(jié)構(gòu)僅僅希望能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動, 但卻不適應(yīng)飛機(jī)快速作動閥高可靠性、高靈敏度、高頻響和直接驅(qū)動的性能要求。
混合式直線步進(jìn)電機(jī)(Hybrid Linear Stepping Motor, HLSM ) 是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動的數(shù)字脈沖電機(jī), 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(jī)具有結(jié)構(gòu)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(qiáng)和可直接驅(qū)動等明顯優(yōu)點(diǎn)。
目前, 采用稀土永磁(REPM) 材料的直線混合式步進(jìn)電機(jī)發(fā)展較快, 在繪圖儀、計(jì)算機(jī)設(shè)備、機(jī)器人、精密儀表、傳輸設(shè)備、自動開門以及檢測控制等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)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(diǎn)之外, 還必須具有精度高、頻響快、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn), 所以研究高性能、高可靠性、高定位精度的直線步進(jìn)電機(jī)具有實(shí)際意義。
基本特點(diǎn)與工作原理
直線步進(jìn)電機(jī)按其電磁推力的產(chǎn)生機(jī)理可以分為變磁阻式和混合式兩種。前者結(jié)構(gòu)簡單、成本低,缺點(diǎn)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)大, 容易實(shí)現(xiàn)微步控制, 而且控制步距對參數(shù)不敏感, 一致性好。
通常混合式直線步進(jìn)電機(jī)采用細(xì)分技術(shù)可實(shí)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(yán)格的航空航天領(lǐng)域使用。
混合式步進(jìn)直線電機(jī)的磁場推力不僅和各相繞組通入的脈沖控制電流有關(guān), 還和內(nèi)部存在的固定永磁磁場大小有關(guān)。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(jìn)電機(jī)動子產(chǎn)生直線步進(jìn)運(yùn)動。一般步進(jìn)電機(jī)的步距角(位移分辨率) 與齒距、運(yùn)行拍數(shù)和相數(shù)有關(guān)。
兩相平板型混合式直線步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)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(dāng)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(nèi), 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(yán)格地移動1 個齒距。
當(dāng)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(jìn)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(dāng)它們的值達(dá)到相等時, 則動子正好對應(yīng)地移過1/8 個步距角。
控制系統(tǒng)構(gòu)成與平穩(wěn)控制方法
本系統(tǒng)采用基于AT 89C2051 單片機(jī)為核心的數(shù)字控制技術(shù)。其控制系統(tǒng)硬件主要包括: 單片機(jī)CPU、細(xì)分控制驅(qū)動電路A 3957SLB、光電隔離與信號調(diào)理電路、系統(tǒng)保護(hù)電路、“看門狗”電路等。系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖3 所示。
為了實(shí)現(xiàn)混合式直線步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行中的平穩(wěn)性, 在控制上采用了細(xì)分控制策略。其控制方法是在每個齒距下, 對兩相直線步進(jìn)電機(jī)繞組按細(xì)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(jī)磁勢幅值均勻變化, 出力均勻, 從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行。
如果每個整步(不細(xì)分) 的細(xì)分步數(shù)為N , 則在每個輸入脈沖下步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行步距為不細(xì)分時步距的1/n , 從正、余弦波形來看,<
