李曉牛，周盛強(qiáng)，姚志遠(yuǎn)，蘆小龍

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京，210016）

（2.南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 南京，210016）

引 言

磁懸浮飛輪是一種慣性執(zhí)行器件，其控制精度和可靠性高，已應(yīng)用到航天器姿態(tài)控制領(lǐng)域［1］。磁懸浮飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子和定子為非接觸支撐，定子和轉(zhuǎn)子之間存在間隙。由于在衛(wèi)星發(fā)射階段，飛輪系統(tǒng)要承受高加速度振動(dòng)和沖擊，因此需要額外設(shè)置鎖緊裝置頂緊轉(zhuǎn)子以消除定、轉(zhuǎn)子之間的間隙［2］。目前，使用的磁懸浮飛輪鎖緊裝置的驅(qū)動(dòng)源主要有火工品和電磁電機(jī)兩種。文獻(xiàn)［3］提出了基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的鎖緊裝置。文獻(xiàn)［4］提出了基于自鎖原理的電磁鎖緊裝置?；鸸て夫?qū)動(dòng)的鎖緊裝置［5］通常需要充氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重復(fù)鎖緊解鎖功能，不可避免地生成污染性氣體，且充氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性較差、體積大。文獻(xiàn)［6］提出了一種基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鎖緊裝置，但電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出扭矩較小，不能直接帶動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)，需增加多級(jí)減速傳動(dòng)部件，使得鎖緊裝置體積和重量增大，鎖緊時(shí)間增加。隨著衛(wèi)星和磁懸浮飛輪系統(tǒng)的進(jìn)一步小型化，火工品和電磁電機(jī)做驅(qū)動(dòng)源的鎖緊裝置已不能滿(mǎn)足要求。

超聲電機(jī)（ultrasonic motor，簡(jiǎn)稱(chēng) USM）［7］具有結(jié)構(gòu)緊湊、低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)快和斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的驅(qū)動(dòng)元件。筆者研制了一種超聲電機(jī)做驅(qū)動(dòng)源的鎖緊裝置，并開(kāi)展了超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鎖緊裝置試驗(yàn)研究，取得了良好效果，為磁懸浮飛輪的進(jìn)一步小型化提供了可能。

1 鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)源的選擇

驅(qū)動(dòng)源的選擇是鎖緊裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。由于其他驅(qū)動(dòng)元件的限制，超聲電機(jī)被認(rèn)為是鎖緊裝置理想的驅(qū)動(dòng)源之一。超聲電機(jī)利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成超聲頻率范圍內(nèi)的微幅振動(dòng)，在定子和轉(zhuǎn)子之間施加一定的預(yù)壓力，通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)負(fù)載［8］。針對(duì)航天器對(duì)元器件重量和體積方面的要求，超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)矩密度大、占用空間小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，其低速大力矩可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)部件的簡(jiǎn)化。由于其特殊的摩擦驅(qū)動(dòng)［9］的原理，電機(jī)運(yùn)動(dòng)部件慣性小、響應(yīng)快、能夠斷電自鎖且保持力矩大。超聲電機(jī)不產(chǎn)生電磁場(chǎng)，無(wú)需潤(rùn)滑，適合在空間環(huán)境中應(yīng)用。

根據(jù)鎖緊裝置設(shè)計(jì)要求［2］，筆者采用40型旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)（traveling－wave rotary ultrasonic motor，簡(jiǎn)稱(chēng)TRUM），其結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)如圖1和表1所示。由表1可知，TRUM－40型超聲電機(jī)的額定扭矩為0.15N·m，堵轉(zhuǎn)扭矩為0.3N·m，滿(mǎn)足其要求的額定力矩0.1N·m，可帶動(dòng)鎖緊裝置完成鎖緊功能。

表1 TRUM－40電機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 鎖緊裝置的工作原理和結(jié)構(gòu)

磁懸浮飛輪鎖緊裝置的工作原理是通過(guò)與電機(jī)輸出軸相連的蝸輪蝸桿減速放大力矩后，帶動(dòng)鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)將飛輪轉(zhuǎn)子鎖住，實(shí)現(xiàn)保護(hù)飛輪的目的。

鎖緊裝置由超聲電機(jī)（驅(qū)動(dòng)源）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鎖緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)和支撐部件組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括蝸輪蝸桿、蝸輪連桿、鋼絲繩和鎖叉。鎖緊執(zhí)行部件為彈片，如圖2所示。完成鎖緊動(dòng)作時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)控制超聲電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)蝸桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿減速放大力矩后，蝸輪連桿被蝸輪通過(guò)鍵連接帶動(dòng)正向轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著蝸輪連桿的正向轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖叉會(huì)相向擺動(dòng)，帶動(dòng)鋼絲繩收緊。張緊的鋼絲繩壓彎鎖緊執(zhí)行部件彈片，進(jìn)而抱緊飛輪實(shí)現(xiàn)鎖緊動(dòng)作。

圖1 TRUM－40電機(jī)結(jié)構(gòu)分解圖

圖2 鎖緊裝置結(jié)構(gòu)圖

2 鎖緊裝置驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鎖緊裝置完成鎖緊和解鎖動(dòng)作，設(shè)計(jì)了一套驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)控制超聲電機(jī)運(yùn)行，產(chǎn)生超聲電機(jī)激勵(lì)信號(hào)，監(jiān)視機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)行位置和接受上位機(jī)指令。

該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、限位開(kāi)關(guān)、通信模塊和本地測(cè)試模塊，如圖3所示。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)接受衛(wèi)星主控計(jì)算機(jī)指令，做出相應(yīng)判斷，向超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制信號(hào)；超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生激勵(lì)壓電振子的兩相高頻正弦信號(hào)；同時(shí)限位開(kāi)關(guān)監(jiān)視鎖緊裝置運(yùn)行位置，完成對(duì)鎖緊裝置鎖緊和解鎖動(dòng)作的自動(dòng)控制。

圖3 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

單片機(jī)選用了ATMEL公司89C52芯片。單片機(jī)接收外部信號(hào)，如通過(guò)RS232串行通信模塊接收衛(wèi)星主控計(jì)算機(jī)指令，通過(guò)I／O口限位開(kāi)關(guān)信號(hào)。根據(jù)接收到的信號(hào)做出相應(yīng)的判斷，通過(guò)I／O口向超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送相應(yīng)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或剎車(chē)電平信號(hào)。限位開(kāi)關(guān)選用霍尼韋爾公司的11HM1限位開(kāi)關(guān)，其精度和可靠性高，可用于空間環(huán)境。限位開(kāi)關(guān)用于鎖緊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)是否鎖緊到位或解鎖到位。超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以CYPRESS公司可編程片上系統(tǒng)PsoC3芯片為核心，設(shè)計(jì)有孤極反饋電路和推挽驅(qū)動(dòng)電路［10］。利用PsoC3芯片的脈寬調(diào)制（PWM）模塊產(chǎn)生兩相相差90°的方波信號(hào)。通過(guò)推挽驅(qū)動(dòng)電路功率放大、升壓和匹配，產(chǎn)生兩相相差90°的高頻正弦激勵(lì)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。為提高超聲電機(jī)機(jī)械輸出特性的穩(wěn)定，筆者利用孤級(jí)反饋電路實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲電機(jī)最優(yōu)工作點(diǎn)的跟蹤［11］。在實(shí)際運(yùn)行中，衛(wèi)星主控計(jì)算機(jī)通過(guò)RS－232通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖緊裝置的遠(yuǎn)程控制。為了便于地面調(diào)試，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)還設(shè)置了本地運(yùn)行模式，顯示運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)行手動(dòng)控制。通過(guò)本地運(yùn)行模式可手動(dòng)設(shè)置鎖緊裝置的啟動(dòng)、關(guān)閉、手動(dòng)鎖緊、手動(dòng)解鎖、急停和遠(yuǎn)程－本地模式切換等。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主程序流程圖

3 試驗(yàn)研究

為了測(cè)試應(yīng)用在鎖緊裝置中的超聲電機(jī)性能和鎖緊效果，筆者針對(duì)工作在特定工況下的超聲電機(jī)電學(xué)輸入?yún)?shù)和溫升進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)鎖緊裝置的鎖緊效果開(kāi)展了試驗(yàn)研究。

3.1 超聲電機(jī)電學(xué)輸入?yún)?shù)的測(cè)試

對(duì)應(yīng)用在鎖緊裝置中的超聲電機(jī)相關(guān)電學(xué)輸入?yún)?shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖5所示。超聲電機(jī)在鎖緊行程中直流輸入電壓為12V，直流輸入電流為0.64A，直流輸入功率為7.6W。在解鎖過(guò)程中，直流輸入電壓為12V，直流輸入電流為0.56A，直流輸入功率為6.7W。可見(jiàn)，超聲電機(jī)直流輸入功率和電流會(huì)隨負(fù)載的變化而變化。

圖5 超聲電機(jī)電學(xué)參量測(cè)試系統(tǒng)框圖

由于超聲電機(jī)是一個(gè)時(shí)變、非線(xiàn)性系統(tǒng)，因而其機(jī)械輸出特性不穩(wěn)定，電學(xué)輸入?yún)?shù)有較大波動(dòng)。筆者采用帶有孤極反饋的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，能有效地穩(wěn)定超聲電機(jī)輸入、輸出性能。圖6為超聲電機(jī)鎖緊過(guò)程中輸入電學(xué)參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。由圖6（a）可知，在整個(gè)鎖緊過(guò)程中交流激勵(lì)信號(hào)電壓有效值穩(wěn)定在120～130V之間，相對(duì)波動(dòng)較小。圖6（b）為鎖緊過(guò)程中交流激勵(lì)信號(hào)電流有效值隨時(shí)間的變化，電流有效值穩(wěn)定在0.14A。圖6（c）為鎖緊過(guò)程中施加在壓電振子上的單相交流激勵(lì)信號(hào)有效功率隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。由于隨著鎖緊過(guò)程中負(fù)載的不斷增加、電機(jī)非線(xiàn)性因素和電機(jī)發(fā)熱量的累積，單相交流激勵(lì)信號(hào)有效功率呈上升趨勢(shì)。由圖6可知，超聲電機(jī)電學(xué)輸入信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定，可以有效激勵(lì)壓電振子，驗(yàn)證了電機(jī)輸入特性的穩(wěn)定性。

3.2 超聲電機(jī)溫升測(cè)試

超聲電機(jī)在運(yùn)行中存在溫升現(xiàn)象［12］。造成超聲電機(jī)溫升的原因主要是定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦驅(qū)動(dòng)和壓電振子的機(jī)電損耗。超聲電機(jī)的溫升是影響電機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。一方面溫升過(guò)高會(huì)使壓電陶瓷的材料性能惡化；另一方面隨著溫度的升高，電機(jī)的工作頻率會(huì)發(fā)生漂移，影響電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行（輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)）。通常超聲電機(jī)帶載下的溫升現(xiàn)象更加突出；因此，有必要對(duì)鎖緊過(guò)程中超聲電機(jī)溫升特性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示。

超聲電機(jī)溫升測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示?？梢钥闯?，在空載時(shí)電機(jī)表面運(yùn)行溫度不超過(guò)40°C，溫升值為10°C；超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)鎖緊裝置運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行溫度不超過(guò)34°C，溫升值為4°C。由于超聲電機(jī)與鎖緊裝置支撐部件接觸，改善了超聲電機(jī)的散熱條件。根據(jù)TRUM－40型超聲電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)可知，該型電機(jī)表面允許上升溫度為55°C，在許用范圍內(nèi)，符合航天設(shè)備對(duì)溫升限制的要求，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖6 超聲電機(jī)電學(xué)輸入?yún)?shù)曲線(xiàn)

圖7 超聲電機(jī)溫升測(cè)試系統(tǒng)原理圖

圖8 超聲電機(jī)溫度上升隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.3 鎖緊效果測(cè)試

由于鎖緊裝置作用在飛輪轉(zhuǎn)子上，鎖緊力不易直接測(cè)量。為了評(píng)估超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鎖緊裝置的鎖緊效果，可在彈片根部附近粘貼應(yīng)變片，測(cè)試彈片某一截面的應(yīng)變，計(jì)算出鎖緊裝置沿半徑方向的鎖緊力。鎖緊效果試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要由YJ－451A1SZ靜態(tài)數(shù)字電阻應(yīng)變儀、鎖緊裝置和直流電源組成。

鎖緊過(guò)程中距彈片端部L處截面應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)如圖9所示。在前50s鋼絲繩未被張緊，無(wú)應(yīng)變。隨著超聲電機(jī)帶動(dòng)鎖叉拉緊鋼絲繩，彈片受壓，應(yīng)變迅速增加。在接近鎖緊狀態(tài)時(shí)，彈片與飛輪接觸，進(jìn)而抱緊飛輪，應(yīng)變趨于一固定值。

圖9 彈片截面應(yīng)變與鎖緊時(shí)間的曲線(xiàn)

將彈片簡(jiǎn)化成一端固定支承，另一端自由的懸臂梁模型，計(jì)算沿徑向鎖緊力F，如圖10所示。在鋼絲繩拉緊、彈片未與飛輪接觸時(shí)，彈片受壓，鋼絲繩對(duì)彈片的壓力為P，即彈片載荷P。在鎖緊狀態(tài)，彈片與飛輪接觸，P即為作用于飛輪上的沿徑向鎖緊力F［13］。載荷P根據(jù)材料力學(xué)公式得到

其中：δ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變片測(cè)試的應(yīng)變值；M為彈片的彎矩；L為力臂；E為彈片材料的彈性模量；W 為抗彎曲截面系數(shù)。

對(duì)于矩形彈片截面

其中：b為彈片寬度；H為彈片厚度。

計(jì)算參數(shù)為W＝24mm3，E＝206GPa，L＝30mm。鎖緊裝置10個(gè)彈片3次測(cè)試結(jié)果的平均應(yīng)變值為360×10－6。經(jīng)式（2）得到鎖緊時(shí)彈片沿半徑方向鎖緊力F＝17.1N。通過(guò)電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鎖緊裝置做對(duì)比，當(dāng)彈片沿半徑方向，鎖緊力為15N時(shí)即可實(shí)現(xiàn)鎖緊，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。所設(shè)計(jì)10個(gè)彈片共可對(duì)飛輪施加沿半徑方向的鎖緊力為171N。

圖10 鎖緊效果測(cè)試原理示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁懸浮飛輪鎖緊裝置，具有重量輕、占用空間小，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了鎖緊裝置的鎖緊和解鎖，達(dá)到了保護(hù)飛輪的目的。針對(duì)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了鎖緊裝置驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，取得了良好的控制效果。進(jìn)行了超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鎖緊裝置試驗(yàn)，對(duì)鎖緊過(guò)程中的超聲電機(jī)性能和鎖緊裝置的鎖緊效果進(jìn)行測(cè)試。超聲電機(jī)電學(xué)輸入?yún)?shù)的試驗(yàn)表明：超聲電機(jī)鎖緊和解鎖功率分別為7.6W和6.7W；電學(xué)輸入?yún)?shù)穩(wěn)定。鎖緊過(guò)程中電機(jī)溫升為4°C，運(yùn)行溫度不超過(guò)40°C，在許用范圍內(nèi)。對(duì)鎖緊效果進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果表明，鎖緊裝置沿半徑方向鎖緊力為171N。超聲電機(jī)是鎖緊裝置理想的驅(qū)動(dòng)源，為磁懸浮飛輪系統(tǒng)的進(jìn)一步小型化提供了可能。

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