某型空中加油机加油吊舱涡轮驱动电机性能研究

0 引言

　　本文中所研究的电动机是某型号空中加油机加油吊舱控制系统上的一种特殊耐高温步进细分控制电动机，是加油吊舱控制系统的关键执行元件，见图1。电动机接受吊舱控制系统的指令信号后驱动顶杆，改变冲压空气涡轮的桨叶角，从而调节加油吊舱加油泵输出的燃油压力和流量。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机广泛应用在各种自动化控制系统中。

图1驱动电机在加油吊舱的位置

　　虽然步进电机已被广泛地应用，但其并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用，其系统框图如图2所示。因此用好步进电机决非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。所述空中加油机加油吊舱冲压空气涡轮中的步进电机具有体积小、转矩大、控制精度高的要求。

　　1 冲压空气涡轮驱动步进电机的理论分析

　　步进电动机的类型主要有反应式步进电动机(VariableReluctance，简称VR)、永磁式步进电动机(PermanentMagnet，简称PM)、混合式步进电动机(Hybrid，简称HB)。

图2步进电动机系统构成框图

　　混合式步进电动机，也称为永磁感应子式步进电动机，最早见于美国专利，称为SLO-SNY电动机[1]。混合式步进电动机通常有二相、三相、四相和五相，图3为典型二相混合式步进电动机的结构。定子铁心上有若干大极齿，在每个大极齿上设计有若干小齿。在定子相邻大极齿的槽内放置绕组。转子由转子铁心、永磁材料和轴组成。该型电动机的转子铁心分为两部分，两部分的铁心相差半个齿距装配而成，定、转子小齿的齿距通常相同。永磁材料为轴向充磁的圆环形，位于转子的中部。从它的磁路内含有永久磁钢这点看，应该说它也是永磁式步进电动机。磁钢在电动机工作中的作用反映了永磁电动机的特点，另一方面又像反应式一样，定、转子表面开有齿槽使步距角做得很小。它是反应式和永磁式步进电动机的结合，可以做成像反应式一样的小步距，也具有永磁式控制功率小的优点，满足了空中加油机加油吊舱冲压空气涡轮各种工作性能的要求。

　　冲压空气涡轮中混合式步进电动机的特点主要有：

　　(1)步距角能在很大的范围内变化，例如从几分到几十度，在小步距情况下，可以在超低速下获得高转矩稳定运行，可以不经减速器直接驱动负载。

　　(2)在停止供电的状态下，具有一定的自锁能力。

　　(3)角位移输出与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，几乎不受外界条件影响，高精度时组成闭环控制系统。

　　(4)具有良好的控制性和响应性，易于起动、停止、正反转及变速。转速与控制脉冲的频率同步，可在相当宽范围内平滑调节。

图3混合式步进电动机的典型结构

　　同时，该步进电动机存在以下缺点:

　　(l)步进电动机的负载要与电动机的参数及传动装置适当配合，才能获得良好的步进性能。

　　(2)由于存在失步和共振，需要加机械阻尼器，因此步进电动机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。

　　2 冲压空气涡轮驱动步进电机的工作过程及原理

　　空中加油机加油吊舱中加油泵输出的燃油压力通过调节冲压空气涡轮的桨叶角来实现。

　　桨叶角的调节靠步进电机来实现。步进电机转动经过圆柱齿轮时，滚珠螺旋副将旋转运动变换成丝杠的直线运动。步进电机有三种工作方式：断电状态、正/反向运行状态和锁相状态。

　　步进电机处于断电状态时，桨叶处于起始位置，称为顺桨状态。设此时的桨叶角α为零。

　　图4是叶片安装座的示意图，桨叶绕其转轴ο转动。桨叶角α增大，涡轮转速升高。作用在叶片安装座上使桨叶转动的力矩有5个：

　　M气—桨叶所受气动力中心偏离转轴而产生的转动力矩，它的方向是使桨叶角α增大的方向；

　　M离—桨叶的离心力中心偏离转轴而产生的转动力矩，它的方向是使桨叶角α增大的方向；
F驱—顶杆作用在销钉A上来自步进电机的转动力，它产生的力矩使桨叶角α增大；

　　M配—配重块的离心力偏离转轴而产生的力矩，它的方向是使桨叶角α减小；

　　F弹—作用在销钉A上的顺桨弹簧力，它产生的力矩使桨叶角α减小。

图4冲压空气涡轮叶片安装座的示意图

　　步进电机的驱动力F驱存在时，使桨叶角增大的力矩要大于使其减小的力矩，而没有F驱存在时，必须使桨叶角增大的力矩小于使其增大的力矩。因此步进电机正向运行时的桨叶角α增大，而反向运行时，顶杆后进，F驱=0，桨叶角α减小，达到调节桨叶角的目的。

　　当步进电机处于锁相状态时，顶杆被锁住，因此桨叶角α不会变化。一旦步进电机断电，顺桨弹簧克服M气，M离和滚珠螺旋副等的摩擦力带动步进电机反转，快速返回顺桨位置（α=0）。

　　3 冲压空气涡轮驱动步进电机使用性能的影响因素及改善

　　影响空中加油机加油吊舱冲压空气涡轮驱动步进电机整体性能的因素是多方面，不仅电机本身的性能参数，其相关的相电阻、相电压也至关重要。作为步进电机的驱动元件，驱动器可根据实际需要选择，如需高速高扭矩可选电压较高的型号，而细分数的应用能很好的解决实际中的很多问题。此外，控制程序的编写，加速度的设计及工步间的相互关系都会影响的实际的使用效果。

　　3.1冲压空气涡轮驱动步进电机驱动器的选择

　　两相混合式步进电机驱动器的种类，从电机驱动技术上可分为单级驱动和双极驱动；从控制核心技术上可分为传统的模拟量控制和近几年快速发展的数字式PID控制；从驱动电压的不同来分有直流驱动器和交流驱动器。

　　同样的电机匹配不一样的驱动器有时会产生很大的差异，本文研究的冲压空气涡轮驱动步进电机要求运行性能为：1个脉冲的定位精度，无累积误差；大扭矩高速运转（5000rpm）；快速启动（30ms达到3000rpm的速度）；频繁启停（1秒内做将近30次的启停动作）。为了实现近似苛刻的性能要求，采用高驱动电压的数字式PID控制的驱动器。此类驱动器相对模拟量控制的驱动器而言，具有以下优点：

　　（1）较低的静态电流噪音；

　　（2）灵活可调的启动电流；

　　（3）发热量低；

　　（4）电机性能自动匹配；

　　（5）可通过上位机（电脑）进行在线调试等

　　3.2冲压空气涡轮驱动步进电机加减速曲线的作用

　　图5是冲压空气涡轮驱动步进电机的工作曲线图，从图中可以看出，当电机运行在阴影部分的运行区时，电机将无法直接起动，而必须先在起动区域内起动，然后通过加速的方式才能够到达该工作区域；同理，当电机减速时，如果在高速运转下直接停止，则会导致步进电机失步，无法实现准确定位，必须通过减速到达起动区域后再进行制动。

图5加减速工作曲线图

　　从上图中可以看出，起动频率越大，其起动力矩越小，当步进电机空载的情况下，可以以较高的速度启动（如10rps），而当电机带有负载时，需根据负载的大小决定起跳频率的范围，一般建议起跳速度在2rps到4rps之间。

　　步进电机的细分驱动简单的说，是将原来一步完成的动作分几步完成。

　　两相步进电机的步距角为0.9°，当给其输入400个步进脉冲后，电机将转过360°，这就是最基本的整步控制方式。随着控制技术的发展，步进驱动器的控制由半步（400ppr）控制发展到现在的125细分（25000ppr），细分数的应用可以避开机构的共振区，改善电机低速的震动，提高每个脉冲运行的精度，提升电机的输出性能。

　　4 结束语

　　步进电动机作为执行元件，已经广泛的应用于航空领域自动控制系统中，是机电一体化的关键产品之一。本文研究的冲压空气涡轮驱动步进电动机就是重点解决新型电动机耐高温、体积小、重量轻、功耗小、转矩大、控制精度高、响应速度快的问题。总结混合式步进电动机的结构、工作原理和优缺点，分析了影响混合式步进电动机整体性能的若干因素。

　　作者简介：周学平，1982年，男，壮族，广西宁明人，助理工程师，空军定向电子科技大学硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动

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　　项目来源：笔者长期工作在航空机务维修一线，重点研究该型装备的性能。