2008年第6期 总第298期 文章编号:1004.7182(2008)06—0045-04 导弹与航天运载技术 MISSILE AND SPACE VEHCILE No.6 2o08 Sum NO.298 直线步进电机在航空航天领域中的应用 胡长喜,贾碉 (北京航天动力研究所,北京,100076) 摘要:通过对直线步进电机的工作原理、结构与特点的分析,对比传统由旋转步进电机把旋转运动转换为直线运动的传 动方式,从精度、效率、寿命和综合成本等方面详细阐述了直线步进电机的特点和优势,最后指出了其在航空航天领域中的 应用前景。 、 关键词:直线步进电机;调节阀;航空航天 中图分类号:V435.3 文献标识码:A Linear Stepping Motor and Its Application in Aerospace Hu Changxi,Jia Yue (Beijing Aerospace Propulsion Institute,Beijing,100076) Abstract:The principle,configuration and characteristics of linear stepping motor are described.Compared with the traditional transmission by converting whirSgig to beeline through rotary stepping motor,expounding the characteristic and advantage of linear stepping motor in the aspect of precision,eficifency,life and cost.Finally,the application prospect of linear stepping motor in the ifeld of aeronautics and aerospace is indicated. Key Words:Linear stepping motor;Regulating valve;Aeronautics and arospace O 引 言 直线步进电机是一种将电脉冲信号转换成微步直 线运动的驱动装置。在需要精密直线运动的地方,直 1 步进电机由旋转运动转换为直线运动的传 统结构 1.1外部实现方法 线步进电机是一种高速、高定位精度、高可靠性的数 字直线运动随动系统的驱动元件,它可以代替间接地 由旋转步进电机,经过1套中间转换机构而得到直线 运动的装置。直线步进电机结构简单,不需要中间转 换机构,可动部分质量轻、惯性小、无漂移、无累积 定位误差,是一种理想的且易推广和开发应用的高定 位精度直线运动驱动装置。混合式直线步进电机发展 较快,在数控机床、自动绘图仪、计算机设备、机器人、 精密仪表、传输设备、自动开门以及检测控制等领域 得到广泛的应用。近年来,迅猛发展的微型计算机及 接口技术,使得直线步进电机的自动化和智能性控制 降低了成本,在航空航天领域具有很大的发展潜力和 步进电机由旋转运动转换为直线运动的外部实现 方法一般采用旋转步进电机与传动机构的机械方法完 成:齿条和齿轮传动、涡轮涡杆及皮带轮传动以及其 他联动机械,所有这些设计都需要各种机械零件。这 些传动方式的缺点为精度低、噪音大、寿命无法保证、 结构复杂、综合成本高。 1.2内部实现方法 完成由旋转运动变为直线运动这种转变的最有效 方法是在电机自身内部实现。在电机内部实现线性变 换极大地简化了设计,使得在许多应用领域中能够在 不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线步进 电机进行精密的线性移动。 1.2.1滚珠螺母和丝杠结合的直线步进电机 最初的直线步进电机采用滚珠螺母和丝杠的结合 体。滚珠丝杠副见图1,由于旋转磁场的作用,电机转 子转动,与转子成为一体的滚珠螺母同时转动,则滚 推广应用前景。 收稿日期:2008 05.07:修回日期:2008—10—09 作者简介:胡长喜(1973.),男,工程师,硕士研究生,研究方向为液体火箭发动机阀门设计 与航天运载技 珠丝杠被带动产生直线运动。滚珠丝杠副传动效率高, 尽管转换旋转运动为线性运动的滚珠丝杠副是一种高 效的方法,但滚珠螺母对校准要求很高,滚珠丝杠一 般螺距较大,造成机构分辨率低、体积大、费用昂贵、 结构复杂、制造难、生产周期长等缺点。因此,在大 多数应用领域,滚珠丝杠并不是一个较实用的解决方 法。 滚珠螺母 钢球 滚珠丝杠 图1滚珠丝杠副结构 1.2.2螺母与螺杆啮合的直线步进电机 使用螺纹的直线步进电机的精密度取决于螺距。 在直线步进电机的转子中心安装一个螺母,使螺杆与 螺母啮合,当转子旋转时,螺杆实现了线性运动。 步进电机中驱动螺母的较好材料是自润滑的热塑 性材料。通过选择合适的材料,在螺纹寿命和轴承轴 颈的稳定性上都取得较好的效果,在金属转子组件内 注入模压塑料螺纹的结构是理想的选择(见图2)。该 结构提高了电机运行寿命和效率,降低了运行噪音。 图2注塑螺纹结构 此种结构的直线步进电机虽然寿命长、效率高、 稳定性好,但仍然是由旋转电机的旋转运动加上机械 变换环节而获得最终的直线运动。 2直接传动的直线步进电机 直接传动的直线步进电机作为一种机电系统,将 其机械结构进一步简化,电气控制技术进一步完善, 符合现代机电技术的发展趋势。与传统的机械结构相 比,直线电机不再是旋转电机的旋转运动加上机械变 换环节而获得最终的直线运动,而是能有效地进行直 接传动,是一种将电脉冲信号转换成微步直线运动的 驱动装置,只要输入较小的电脉冲就能产生较大的推 力和微步直线运动,弥补了传统机械元件产生的弹性 变形、摩擦、反向间隙、非线性误差等缺陷。 直线步进电机按其电磁推力的产生机理可以分为 变磁阻式和混合式两种。前者的优点是结构简单、成 本低;缺点是无定位力矩、不宜微步控制、推力仅靠 磁路不对称提供、数值偏小、力矩波动大。而混合式 直线步进电机在加入永磁体以后,即使在断电的情况 下,永磁体也能够产生一定的定位力矩,并可保持动 子在期望的步距位置上。在相同体积情况下产生的推 力比磁阻式直线步进电机大,容易实现微步控制,而 且控制步距对参数不敏感,一致性好。通常混合式直 线步进电机采用细分技术可实现较高的平稳性,能大 大减小推力的波动。 2.1电机的结构 直线步进电机的原理与旋转式步进电机相类似, 但二者结构大不相同。两相混合式直线步进电机的结 构如图3所示,基本结构由定子、动子及线圈组成。 定子由开有等距齿槽的叠片铁心组成,动子由永久磁 铁和电磁铁EMA与EMB组成。电磁铁EMA上安放 绕组A,具有1和2两个磁极,电磁铁EMB上安放绕 组B,具有3和4两个磁极,4个磁极上有几个齿,且 定子和动子齿距相等。磁场是由永久磁铁和绕组电流 共同产生的。当电磁铁没有电流时,永久磁铁向所有 的磁极提供了,:b/2的常值磁通( 是永久磁铁提供的总 磁通),此时,动子上没有水平推力,动子可以稳定在 任何位置上。随着各相控制绕组中的电流发生变化, 使得各极下的磁场位置发生变化,因而带动步进电机 动子产生直线步进运动。 子 .n几几几几n n几n n几n n n. 图3两相混合式直线步进电机结构示意图 2.2动作原理 如果让线圈A通入余弦电流,同时让线圈B通入 正弦电流(如图4中虚线所示),则在0~ /2范围内,线 圈B中的电流从零逐渐增大到最大值,使得极4下的 磁通由0/2逐渐增大到最大值 ,而极3下的磁通逐渐 由0/2下降到零。同时极1的磁通随着i 下降而下降, 第6期 胡长喜等直线步进电机在航空航天领域中的应用 47 配合线圈B使动子平滑均匀地移动。由于磁通具有通 过磁阻最小路径的原理,所以电流由大到小交变一 次,动子就移动1个齿距。 ’\ ,, ’南 ’’\ 一 O 一 图4两相同时通电时的电流波形 当A相电流由最大值下降到零,B相电流由零上 升到最大值时,动子移动了1/4齿距。如果在A相电 流由最大值下降的同时,B相电流由零开始上升,当 它们的值达到相等时,则动子对应地正好移过1/8齿 距。如果将上述A相和B相的正、余弦电流每个周期 都用40个等宽不等幅的脉冲代替(见图5),则每个脉 冲的宽度为9。(电角度),对于每个脉冲,步进电机就 会相对于原位置移动1/40齿距,此时步距为1/40齿距, 可见电机的步距分辨率比原来提高了10倍。这种控制 步进电机工作的方法就是细分技术,利用细分技术可 以实现更高的分辨率和精确的定位。 3直线步进电机的研制设想 3.1直线步进电机的应用 航空放油阀通常采用旋转式电机,通过蜗轮蜗杆 机构或者旋转丝杠结构驱动。这种机构经过一定传动 比的减速以后,输出力矩大,通过直线位置传感器, 还可做到位置的精确控制,并具有较强的断电锁紧力 矩。但是,直线运动机构体积大、质量大、传动效率低, 齿轮啮合存在机械磨损和回差,而且控制复杂,可靠 性低。实际上,飞机电液伺服阀、氧气浓缩器压缩阀、 应急放油阀、电动活门、发动机油门杆、卫星天线等 直线运动场合的负载推力并不大,使用蜗轮蜗杆机构 或者旋转丝杠结构仅仅希望能将旋转运动变为直线运 动,但却不适应飞机快速作动阀高可靠性、高灵敏度、 高频响和直接驱动的性能要求。 0 图5用脉冲群逼近正余弦曲线 目前,国内外用于航天动力系统中流量调节的阀 门有3种:第1种是并联多个电磁阀,通过开关不同 数量的电磁阀,改变管路流阻对液路流量进行阶跃式 的调节;第2种是旋转式步进电机调节阀,通过步进 电机控制器发出不同数量的脉冲改变阀门开度,从而 达到调节液路流量的目的,步进调节阀可以实现无级 调节,它可开环控制,也可以进行闭环控制以达到较 高的控制精度,产品传动机构的制造精度要求高,造 价较昂贵;第3种是电液伺服和单双阀座流量机械式 调节阀,这两类阀配合使用,可达到双流量控制,也 可以实现闭环控制,控制精度高、响应速度快,但这 两种阀均有回流,制造精度要求高,造价昂贵。 3.2传统调节阀 图6为旋转步进电机与阀体结合为一体的传统调 节阀,它是美国APU.T系统上的氧流量调节阀,主要 由旋转步进电机、回转杠杆、回位弹簧、阀座和阀芯 组成。步进电机的输出轴和回转杠杆相连,回转杠杆 将旋转运动转换为直线运动,与回转杠杆连接的阀芯 同样做直线运动。因此,阀门改变了开度,改变了流 通面积,发生了流量变化,达到了调节流量的目的。 阀芯采用双菌活门的形式,进口压力同时作用在 大小相等、方向相反的两个面积上,出口压力也同时 作用在大小相等、方向相反的另外两个面积上,故可 消除进出口压力及其变化的影响,这样无论进出口静 压差变化多大,对动力装置操纵力矩的要求基本不变 导弹与航天运载技术 或变化很小,只要克服活门运动的摩擦力即可,从而 扩大了调节活门的工作压差范围,使驱动装置小型化。 回位弹簧的作用是,在断电情况下,阀门自动回 到初始零位。 进电机的脉冲细化,减小步距角,保证电机低速平稳 运行,从而实现调节阀的推力波动的减小和高平稳性, 实现精确定位。 d)有定位力矩。混合式直线步进电机在断电的情 况下,永磁体能够产生一定的定位力矩,保持位置不 变,提高了调节阀的可靠性。 e)调节特性好。该调节阀具有无级调节的特点, 由于调节阀流量与行程成线性关系,保证了系统的调 图6旋转步进电机与阀体结合为一体的调节阀 3.3一种新型的调节阀 图6所示的调节阀是间接地由旋转步进电机,经 过回转杠杆转换而得到的直线运动。这种结构的缺点 是精度低、结构复杂、综合成本高,而图7所示的调 节阀则克服了这些缺点,在航空航天领域调节阀中具 有很大的发展潜力和推广应用前景。 图7为直线步进电机与阀体结合为一体的新型调 节阀,该调节阀主要由直线步进电机、回位弹簧、阀 座和阀芯组成。阀芯和步进电机的动子相连,由于动 子做直线运动,与动子连接的阀芯同样做直线运动, 因此,阀门改变了开度,改变了流通面积,发生了流 量变化,达到调节流量的目的。另外菌阀的调节特性 较好,流量与行程近似成线性关系,如果把阀芯的节 流面设计成抛物线形状,流量与行程将成线性关系。 图7所示的新型调节阀除继承了图6所示的传统 调节阀的优点外,还具有下列优点: a)结构简单。直线步进电机不需经过中问转换机 构而直接产生直线运动,使调节阀的结构大大简化、 运动惯性减小,动态响应性能和定位精度大大提高, 同时也提高了可靠性、节约了成本,其制造和维护更 加简便。 b)适合高速直线运动。运动时无机械接触,因而 运动时也就无摩擦和噪音,加速和减速时间短,可实 现快速启动和正反向直线运动。这样,传动零部件没 有磨损,可大大减小机械损耗,从而提高整体效率。 C)适合低速直线运动。应用细分控制技术可将步 节性能。 图7直线步进电机与阀体结合为一体的调节阀 4结论 调节阀是航空航天动力系统中的重要流量调节元 件,发动机的推力变化及混合比的精确控制在很大程度 上取决于调节阀的特性,即要求流量变化与步进电机的 行程精确地成比例。所以高性能、高可靠性、高定位精 度的直线步进电机有着广阔的应用前景,特别适合在体 积质量要求严格的航空航天领域。总之,调节阀在航空 航天领域具有很大的发展潜力和推广应用前景。 参考文献 [1】 高云广直线脉冲电机(SLPMU一025A)运行特性的分析及其驱动控制系 统的研究[D].太原理工大学硕士研究生学位论文,2006. [2】宋立伟.错片结构微型直线步进电机的研究[J]微电机,2000,(O1). 【3】Robe ̄Pulford Jr,Keith Kowalski.混合式直线步进电机【J].现代制造, 2007,(3O). [4] r志刚.微特直线电动机开发应用的前景fJ1.微电机,1995(04). 【5】刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动控制系统[M】哈尔滨:哈尔滨工 业大学出版社,1997. [6】 哈尔滨工业大学,成都电机厂.步进电动机【M].北京:科学出版社, 1979 【7]丁志刚.直线步进电动机的原理控制和应用【M】北京:机械工业出版 社,1994. 【8】Electromechanical actuation for cryogenic valve control[R].AIAA 29th Joint Propulsion Conference and Exhibit,1 993