任澤宇 羅莉 石宏順 班解進(jìn)

摘要：對(duì)衛(wèi)星用步進(jìn)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了闡述。以某步進(jìn)電機(jī)模型為基礎(chǔ)，分析不同材料性能差異、加工尺寸偏差對(duì)步進(jìn)電機(jī)性能一致性的影響，并提出對(duì)應(yīng)控制策略。按控制策略執(zhí)行并對(duì)比無控制策略電機(jī)性能偏差，驗(yàn)證了一致性控制方案的可行性。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；性能一致性分析；偏差控制

中圖分類號(hào)：TM383.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）10-0005-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.002

0? ? 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)[1]，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)。空間衛(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]。

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θb還與電機(jī)輸入脈沖電信號(hào)的導(dǎo)通方式有關(guān)。

θb=360°/ZRN

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1.8°。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0.278 N·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0.05 mm（單邊），取氣隙偏差范圍0.035～0.065 mm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0.05～0.057 5 mm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0 mm，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0～0.02 mm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？準(zhǔn)0.01 mm，轉(zhuǎn)子磁極裝配同軸度為？準(zhǔn)0.005 mm的措施，電機(jī)單邊偏心量在0～0.007 5 mm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0.55 mm，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0.5～0.6 mm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0.52～0.55 mm，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0.55 mm，依舊選取波動(dòng)范圍0.5～0.6 mm進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如表5和圖6所示。可以看出轉(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0.54～0.56 mm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0.8 A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12.82%，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

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。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 謝輝，唐勇.步進(jìn)電機(jī)發(fā)展回顧與前景展望[J].重慶三峽學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，26（3）：110-113.

[2] 余逸風(fēng).二相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)研究及驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)[D].柳州：廣西科技大學(xué)，2015.

收稿日期：2023-01-16

作者簡(jiǎn)介：任澤宇（1996—），男，貴州人，工程師，研究方向：電機(jī)設(shè)計(jì)。