衛(wèi)星用步進(jìn)電機(jī)性能一致性分析及控制策略研究

引言

隨著衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)需求的不斷增長(zhǎng),單顆衛(wèi)星工作模式已難以滿足使用需求,因此,多顆衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已成為通信服務(wù)未來發(fā)展的趨勢(shì)。隨著我國(guó)航天事業(yè)迅速發(fā)展,國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星組網(wǎng)也在高速實(shí)施。步進(jìn)電機(jī)是衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行單元應(yīng)用最為廣泛的電機(jī)類型,其將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,相比傳統(tǒng)電機(jī)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制簡(jiǎn)單、易于啟停和反轉(zhuǎn)、定位自鎖、無累積運(yùn)行誤差、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星天線、轉(zhuǎn)臺(tái)、光學(xué)儀器等分系統(tǒng)?？臻g衛(wèi)星的高速發(fā)展,對(duì)步進(jìn)電機(jī)的需求潛力是巨大的。

步進(jìn)電機(jī)的研制必須適應(yīng)空間衛(wèi)星的發(fā)展,需適應(yīng)小批量的研發(fā)路線,為此,需對(duì)空間衛(wèi)星用步進(jìn)電機(jī)的性能一致性進(jìn)行研究分析,保證在研制過程中實(shí)現(xiàn)性能參數(shù)超差可控。

1混合式步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)一般分為反應(yīng)式、永磁式和混合式,混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn),步距角小,定位精度高,同時(shí)噪聲小,是衛(wèi)星環(huán)境常用的一種類型。

混合式步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理是通過定子磁極與轉(zhuǎn)子進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換,是轉(zhuǎn)子步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。一般混合式步進(jìn)電機(jī)定子含偶數(shù)個(gè)大齒,轉(zhuǎn)子上位于永磁體兩側(cè)的磁極分別顯現(xiàn)N和S極,同時(shí)兩塊磁極上開有小齒且相互交錯(cuò)半個(gè)齒距。當(dāng)電機(jī)一相通電時(shí),某個(gè)定子齒呈N極,則對(duì)一側(cè)磁極排斥,另一側(cè)磁極吸引,兩者合力將轉(zhuǎn)子拉向左運(yùn)行一步,如圖1所示,當(dāng)電機(jī)另一相通電時(shí),其他定子齒同樣會(huì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)行一步。根據(jù)供電方式不同,電機(jī)步進(jìn)角度也不同,運(yùn)行4拍轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角,這樣的運(yùn)行模式叫做整步模式,要是將單相供電和兩相供電方式合并起來作為一個(gè)整體,這樣便又形成了新的供電模式,一般稱為半步方式,兩相電機(jī)半步供電方式為:A-AB'-B'-A'B'-A'-A'B-B-AB。

2步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)與大多數(shù)無刷電機(jī)類似,均由定子、轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成,但由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行原理較為特殊,電磁結(jié)構(gòu)和其他電機(jī)有著較大差異。

2.1定子設(shè)計(jì)

定子主要包括繞組和鐵芯,槽絕緣及安裝線,隨著步進(jìn)電機(jī)加工方法不斷進(jìn)步,同時(shí)為適應(yīng)短周期研制的需求,在空間衛(wèi)星的使用場(chǎng)景下多數(shù)采用半自動(dòng)繞線技術(shù),槽絕緣為非金屬骨架或者耐輻照絕緣紙等可自成型的材料,可大幅降低人力消耗和時(shí)間成本。

定子鐵芯為導(dǎo)磁結(jié)構(gòu),步進(jìn)電機(jī)氣隙小,因此在定子鐵芯中磁密度較高,通常采用一些具備高導(dǎo)磁性能的材料如軟磁合金1J22、電工鋼帶疊片等。

2.2轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子主要由金屬軸、磁極和永磁體構(gòu)成,通常轉(zhuǎn)子磁極數(shù)為2,永磁體數(shù)量為1,為了追求更大的力矩輸出性能也可調(diào)整為4,對(duì)應(yīng)的永磁體數(shù)量為2。轉(zhuǎn)子磁極帶有小齒,根據(jù)實(shí)際使用步距角精度需求可做調(diào)整。步距角9b還與電機(jī)輸入脈沖電信號(hào)的導(dǎo)通方式有關(guān)。

式中:ZR為轉(zhuǎn)子齒數(shù):N為電機(jī)通電拍數(shù)。

如電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50,通電方式為兩相四拍,則該電機(jī)步距角為1.89。由此可知,為了提高運(yùn)行分辨率,減小步距角,可增加通電拍數(shù)和增大轉(zhuǎn)子齒數(shù)。轉(zhuǎn)子磁極材料同樣需要滿足高磁飽和性能,因此可采用軟磁合金或電工純鐵DT4等材料。

3性能一致性分析

依據(jù)常規(guī)空間環(huán)境需求及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則,參考空間衛(wèi)星產(chǎn)品J45系列步進(jìn)電機(jī),建立理論設(shè)計(jì)模型,主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

通過ANSYS工具軟件對(duì)模型進(jìn)行保持力矩仿真測(cè)算,幅值約為0.278N·m,如圖2所示。

通常在電磁設(shè)計(jì)時(shí),為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)分析,將參數(shù)設(shè)定為定值進(jìn)行仿真計(jì)算,這是一種理論值狀態(tài)的設(shè)計(jì)方案。實(shí)際上由于機(jī)械加工尺寸存在一定范圍的偏差,軟磁材料性能也同樣存在波動(dòng),電機(jī)的性能一致性得不到較好的保障。以保持力矩作為指標(biāo)參考,分析不同情況下尺寸和材料性能偏差對(duì)電機(jī)輸出一致性的影響,同時(shí)給出對(duì)應(yīng)控制策略。

3.1氣隙偏差影響及控制策略

該電機(jī)模型中氣隙理論值為0.05mm(單邊),取氣隙偏差范圍0.035~0.065mm進(jìn)行保持力矩輸出計(jì)算,結(jié)果如表2和圖3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果來看,由于步進(jìn)電機(jī)氣隙設(shè)計(jì)值通常較小,氣隙尺寸偏差對(duì)性能影響顯著,因此對(duì)步進(jìn)電機(jī)氣隙的控制極其重要。

與理論保持力矩值對(duì)比,在氣隙尺寸位于上差范圍時(shí)偏差值較小,氣隙尺寸可通過對(duì)電機(jī)定子內(nèi)孔及轉(zhuǎn)子外徑尺寸進(jìn)行限定,以此達(dá)到控制氣隙尺寸范圍的目的?？紤]到實(shí)際加工工藝難度及設(shè)計(jì)余量,對(duì)步進(jìn)電機(jī)氣隙應(yīng)采取范圍控制于0.05~0.0575mm的措施,最大不一致偏差為2.83%。

3.2轉(zhuǎn)子偏心影響及控制策略

該電機(jī)模型中轉(zhuǎn)子理論偏心為0mm,該影響因素主要取決于加工精度和裝配精度,根據(jù)電機(jī)尺寸取偏心量為0~0.02mm進(jìn)行保持力矩輸出計(jì)算,結(jié)果如表3和圖4所示,根據(jù)結(jié)果來看,電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心對(duì)電機(jī)輸出性能影響較小。

轉(zhuǎn)子偏心情況可通過對(duì)裝配零件同軸度的限定來調(diào)整,鑒于該因素對(duì)電機(jī)輸出性能影響較小,同時(shí)步進(jìn)電機(jī)定子內(nèi)孔同軸度難以精確保證,因此對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心情況采取控制定子裝配同軸度為小0.01mm,轉(zhuǎn)子磁極裝配同軸度為小0.005mm的措施,電機(jī)單邊偏心量在0~0.0075mm范圍內(nèi),最大不一致偏差不大于0.31%。

3.3定子齒寬偏差影響及控制策略

該設(shè)計(jì)模型定子齒寬為0.55mm,定子采用疊片方式加工,尺寸受到定位精度及沖壓(電切割)精度影響,取0.5~0.6mm范圍進(jìn)行分析,結(jié)果如表4和圖5所示。通過齒寬對(duì)性能偏差的影響可以看出,實(shí)際尺寸位于上差或下差對(duì)電機(jī)性能影響差別不大。

定子齒寬的尺寸偏差是由加工導(dǎo)致,因此可控制尺寸范圍在0.52~0.55mm,最大不一致偏差不大于2.30%。

3.4轉(zhuǎn)子齒寬偏差影響及控制策略

設(shè)計(jì)模型中轉(zhuǎn)子齒寬為0.55mm,依舊選取波動(dòng)范圍0.5~0.6mm進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如表5和圖6所示?？梢钥闯鲛D(zhuǎn)子齒寬越小,輸出力矩偏差越大,因此在電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí)可采取限制公差0.54~0.56mm的控制策略,保持力矩理論偏差不大于0.43%。

3.5軟磁材料性能偏差影響及控制策略

本次設(shè)計(jì)模型中電機(jī)定子軟磁材料選用電工鋼帶(牌號(hào)50ww600),考慮到?jīng)_壓過程對(duì)材料性能的影響以及材料本身性能差異,對(duì)仿真模型中軟磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B做不同程度的偏移,以此模擬軟磁材料性能差異對(duì)電機(jī)輸出的影響。取模型中軟磁材料磁性能B-H曲線偏移±4%,結(jié)果如表6和圖7所示?？梢钥闯霾牧洗判阅軐?duì)電機(jī)輸出偏差的影響較大,因此研制過程中應(yīng)要求控制材料磁性能偏差在±1%范圍內(nèi),同時(shí)盡量采用同一批次材料進(jìn)行加工,理論保持力矩偏差不大于3.06%。

3.6小結(jié)

針對(duì)基于空間衛(wèi)星產(chǎn)品J45系列步進(jìn)電機(jī)建立的理論模型,對(duì)一致性偏差造成影響的包括氣隙、轉(zhuǎn)子偏心、定子齒、轉(zhuǎn)子齒以及軟磁材料性能偏差等幾種原因。如表7所示,經(jīng)采用對(duì)應(yīng)控制策略可將性能一致性偏差程度降低,累計(jì)偏差不大于8.93%,較J45基礎(chǔ)型最大不一致性減小了55.8%,理論分析結(jié)果較為顯著。

4試驗(yàn)分析

為了達(dá)到論證目的,抽取基礎(chǔ)產(chǎn)品J45步進(jìn)電機(jī)5臺(tái)測(cè)試性能一致性,與理論模型相對(duì)應(yīng),參考的性能指標(biāo)為保持力矩:另一方面按照上述控制策略研制5套J45A改型步進(jìn)電機(jī),電機(jī)實(shí)物如圖8所示。對(duì)比分析該指標(biāo)一致性控制方法的可行性和正確性。

在常溫常壓環(huán)境下,電機(jī)兩相繞組同時(shí)通入直流0.8A電流,分別測(cè)試J45及J45A改型步進(jìn)電機(jī)保持力矩大小如表8所示。

由表中數(shù)據(jù)計(jì)算在該指標(biāo)參數(shù)的一致性偏差情況,J45基礎(chǔ)型偏差為22.82%,J45A改型為5.80%,整體指標(biāo)優(yōu)化程度達(dá)到54.7%。另外可以發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)采集的基數(shù)較小會(huì)對(duì)最大偏差結(jié)果有一定影響,但整體趨勢(shì)基本與理論分析相符。因此,在步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)過程中采取上述控制策略能夠降低電機(jī)性能偏差,提高電機(jī)批次一致性。

5結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)空間衛(wèi)星用步進(jìn)電機(jī)的性能一致性影響因素進(jìn)行了研究,通過對(duì)加工制造過程控制的理論分析和實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì),得出如下結(jié)論:加工制造過程所導(dǎo)致的尺寸偏差和材料性能偏差會(huì)影響步進(jìn)電機(jī)輸出性能一致性,采用對(duì)氣隙、轉(zhuǎn)子偏心、定子齒寬、轉(zhuǎn)子齒寬以及軟磁材料性能的控制策略,理論上對(duì)電機(jī)性能一致性提升效果顯著:通過控制策略的實(shí)施對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,并抽樣測(cè)試,結(jié)果與理論分析相符,整體一致性指標(biāo)優(yōu)化程度達(dá)到50%以上,控制策略有效。