李 雨，譚金璽，寧劍建，呂 強(qiáng)，宋振民，朱志強(qiáng)

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233；2.寧波中大力德智能傳動(dòng)股份有限公司，寧波 315000)

一種提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分精度的設(shè)計(jì)方法

李 雨1，譚金璽2，寧劍建1，呂 強(qiáng)1，宋振民1，朱志強(qiáng)1

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233；2.寧波中大力德智能傳動(dòng)股份有限公司，寧波 315000)

摘 要：介紹了一種提高混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角細(xì)分精度的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了樣機(jī)試制。樣機(jī)測試結(jié)果表明,采用該設(shè)計(jì)方法，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分后步距角均勻，滿足某型號(hào)衛(wèi)星的成像精度要求。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；樣機(jī)試制；細(xì)分精度

0 引 言

近年來，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于力矩大、可靠性高、控制簡單方便、斷電后存在自鎖力矩等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛用于航天器的各種伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，發(fā)揮著重要作用。但是，目前某些載荷如光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)成像質(zhì)量要求更高，要求作為掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力源的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能夠提供更小的步距角。因此，從降低系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，趨向于采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。在沒有減速器的情況下，要減小電機(jī)步距角，唯有增大電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)和外徑，而航天配套產(chǎn)品對(duì)電機(jī)質(zhì)量、體積有嚴(yán)格限制。本文結(jié)合工程需求，在不增加電機(jī)外徑尺寸和轉(zhuǎn)子齒數(shù)的情況下，通過控制線性細(xì)分電機(jī)繞組電流及定轉(zhuǎn)子齒層設(shè)計(jì)，提高了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微步距開環(huán)控制精度。

1 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1 120BH型混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由定子、轉(zhuǎn)子以及軸承組成。轉(zhuǎn)子上分布4段轉(zhuǎn)子鐵心，每段鐵心依次錯(cuò)開1/2齒距，其中中間2段轉(zhuǎn)子鐵心采用隔磁環(huán)隔開。電機(jī)軸伸端軸承采用一對(duì)角接觸軸承，電機(jī)出線端采用一套深溝球軸承，既保證了電機(jī)旋轉(zhuǎn)精度，又適應(yīng)了空間環(huán)境的高低溫交變。

2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制的目的是希望盡量達(dá)到等距細(xì)分。實(shí)際操作時(shí)，往往通過將繞組電流等分來實(shí)現(xiàn)細(xì)分控制，而電流等分卻并不能實(shí)現(xiàn)等距細(xì)分。以該120BH型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，分析說明如下。

該電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心上均布100齒(zr=100)，電機(jī)采用四相單拍工作方式(m=4)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換為A-B-C-D，電機(jī)步距角：

(1)

電機(jī)采用34細(xì)分，A,B兩相電流波形如圖2所示。

圖2 四相34細(xì)分A，B相電流波形

如圖3所示，經(jīng)計(jì)算可得細(xì)分步距角θ1對(duì)應(yīng)的

圖3 四相34細(xì)分時(shí)(A→B)合成磁勢的旋轉(zhuǎn)情況

機(jī)械角度：

同樣計(jì)算θ2對(duì)應(yīng)的機(jī)械角度，可得:

同理，可分別計(jì)算得到34細(xì)分時(shí)理論上的各微步距角度。從上述電機(jī)細(xì)分合成磁勢計(jì)算結(jié)果可以看到，要達(dá)到精確的等距細(xì)分，單純依靠繞組電流等分是很難實(shí)現(xiàn)的。而且對(duì)于不同電機(jī)而言，其控制效果差異較大。理論上要實(shí)現(xiàn)等距細(xì)分，則需要反算電機(jī)通電相各臺(tái)階電流，并結(jié)合具體樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終形成繞組電流的數(shù)據(jù)庫，驅(qū)動(dòng)控制時(shí)再進(jìn)行查表取值。這種方法的結(jié)果是驅(qū)動(dòng)控制復(fù)雜，可靠性降低。本文從工程應(yīng)用和實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子小齒齒寬進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，單純采用電流等分即可滿足工程的控制要求。

3 設(shè)計(jì)仿真

電機(jī)的位置控制歸根結(jié)底在于對(duì)其輸出力矩的控制。文獻(xiàn)[2]在理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式進(jìn)行了推導(dǎo)，表達(dá)式如下：

式中：p為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；L2為繞組自感的諧波分量；Msr為定子線圈互感的模[3]。

由于本文僅研究定轉(zhuǎn)子齒寬設(shè)計(jì)對(duì)控制精度的影響，因此為便于仿真計(jì)算，簡化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，暫不考慮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)磁鋼軸向磁路的影響，建立了僅包含徑向磁路的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)模型，從而方便采用ANSYS Maxwell的2D模塊進(jìn)行仿真。通過仿真觀察步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在電流等分情況下的穩(wěn)定平衡位置，對(duì)比定、轉(zhuǎn)子等寬與不等寬情況下的區(qū)別。

本文仿真計(jì)算采用瞬態(tài)場，計(jì)算模型如圖4所示。定、轉(zhuǎn)子鐵心材料為H12，計(jì)算時(shí)忽略鐵心損耗。計(jì)算穩(wěn)定平衡位置時(shí)，不考慮實(shí)際裝配條件下軸承摩擦力、負(fù)載等其他附加轉(zhuǎn)矩。

(a) 有限元模型

(b) 網(wǎng)格剖分

模型中A,B兩相繞組同時(shí)通電時(shí)形成的磁場方向如圖5所示。

圖5 磁場方向

計(jì)算時(shí)A相電流從2 A開始遞減，每次減少0.125 A，B相電流保持2 A不變。比較定、轉(zhuǎn)子等齒寬和不等齒寬的情況可以看到，不等寬的情況下穩(wěn)定平衡位置變化量較小些，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。角度變化量如表1所示。

(a) 定、轉(zhuǎn)子齒等寬的

(b) 定、轉(zhuǎn)子齒不等寬的

(c) 線性度仿真結(jié)果

對(duì)圖6的說明如下：

(1) 由于仿真時(shí)設(shè)置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1°/s，因此橫坐標(biāo)時(shí)間軸對(duì)應(yīng)數(shù)值即為機(jī)械角度(例如0.3 s即對(duì)應(yīng)0.3°)。

(2) 縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)矩，因此縱坐標(biāo)為零時(shí)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)數(shù)值即為穩(wěn)定平衡位置的角度。

(3) 圖6(a)、圖6(b)中的Ix為A相減少的電流值，即表示A相電流IA=2-Ix(例如Ix=0.25 A，表示該曲線為A相電流IA=2-0.25=1.75 A，B相電流2 A下的計(jì)算結(jié)果)。從仿真計(jì)算可以看到，A相電流等分后，不管定、轉(zhuǎn)子是否等寬，從2 A到0遞減的過程中，穩(wěn)定平衡位置的變化量總體上呈現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律。在電流較大時(shí)，同等電流變化產(chǎn)生的穩(wěn)定平衡位置變化較大。

表1 角度變化量

4 樣機(jī)實(shí)例

根據(jù)上述分析，研制2臺(tái)樣機(jī)。為便于比較分析，2臺(tái)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)除定子小齒寬度不同以外，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同，具體參數(shù)如表2所示。

表2 樣機(jī)齒層參數(shù)對(duì)比表

電機(jī)整步步距角為0.9°，按照上述電流等分對(duì)2臺(tái)樣機(jī)步距角0.9°進(jìn)行34等距細(xì)分驅(qū)動(dòng)，細(xì)分后微步距角為0.9°/34=0.026°，實(shí)際測試細(xì)分結(jié)果如表3所示。

表3 樣機(jī)步距角(0.9°)細(xì)分結(jié)果

步距角細(xì)分線性測試樣機(jī)如圖7所示，2臺(tái)樣機(jī)細(xì)分結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

圖7 樣機(jī)步距角內(nèi)細(xì)分步線性測試

圖8 1#樣機(jī)和2#樣機(jī)細(xì)分結(jié)果對(duì)比

對(duì)比2臺(tái)樣機(jī)的細(xì)分結(jié)果可知，2#樣機(jī)細(xì)分后位置與電流的線性度更好，更有利于保證系統(tǒng)的位置控制精度。

5 結(jié) 語

本文通過分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子小齒齒寬設(shè)計(jì)對(duì)等距細(xì)分的影響。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制精度不僅由控制方案決定，在很大程度上還取決于電機(jī)自身的線性設(shè)計(jì)。本文通過定轉(zhuǎn)子小齒的齒寬設(shè)計(jì)，提高了電流線性細(xì)分下的步距角細(xì)分精度，滿足了工程的實(shí)際需求。

[1] 劉寶廷,程樹康.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

[2] 王曉丹.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究[D].長沙：中南大學(xué)，2008.

[3] 劉鼎邦.兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2012.

ADesignMethodtoImprovetheSubdivdionPrecisionofSteppingMotor

LIYu1,TANJin-Xi2,NINGJian-jian1,LüQiang1,SONGZhen-ming1,ZHUZhi-qiang1

(1.No. 21 Research Institute of CETC,Shanghai 200233,China;2.Ningbo Zhongda Leader Intelligent Transmission Co.,Ltd.,Ningbo 315000,China)

Abstract:A design method to improve the precision of the stepping angle of the hybrid stepping motor was introduced and a prototype trial system was carried out. The test results of the prototype show that the adopted method, subdivided the rear angle of the stepping motor and it could meet the imaging precision of a certain type of satellite.

Key words：stepping motor; prototype trial; subdivdion precision

中圖分類號(hào)：TM383.6

A

1004-7018(2018)05-0073-03

2018-01-31

作者簡介：李雨(1979—)，男，高級(jí)工程師，專業(yè)方向?yàn)殡姍C(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制。