（电机与电器专业论文）飞机燃油控制系统用混合式步进电动机系统的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s l r a c t s t e p p i n gm o t o ri sak i n do f e l e c t r o m e c h a n i c a lc o m p o n e n tt h a ti sd r i v e ni ns t e pa n g l e o rl i n ed i s p l a c e m e n tb ye l e c t r i cp u l s es i g n a l b e c a u s eo fh a v i n gt h ea d v a n t a g eo fe a s y o p e n - l o o pc o n t r o la n dn oa c c u m u l m i n ge r r o r , s t e p p e rm o t o ri sb e i n ga p p l i e dw i d e l yi n m a n yf i e l d s i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nm a n u f a c t u r e ，t r a n s p o r t a t i o n ，e t c i no r d e rt o m e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g h p r e c i s i o no r i e n t a t i o na n dm o v i n gs m o o t h n e s s ，s u b d i v i s i o n d r i v i n go fs t e p p i n gm o t o ri sa d o p t e d i nt h i sp a p e r , t h es t e p p i n gm o t o rs y s t e mi sm a d e f o r e n g i n e f u e ls y s t e m o f s o m e h e l i c o p t e r t h i s p a p e r c o n s i s t s o f f o u r p a r t s ： a tf i r s t ，ar e v i e wo ft h em o s tr e c e n td e v e l o p m e n t si nt h ef i e l do fs t e p p i n gm o t o ri s p r e t e n d e db a s e do nt h es y s t e m a t i ca n a l y s i so f t h ep r i n c i p a l sa n dd e v e l o p m e n t so f v a r i e s s t e p p i n gm o t o r s ，0 1 1t h ee m p h a s i sd i s c u s s e dt h ep r i n c i p a lo f t h eh y b r i ds t e p p i n gm o t o r s e c o n d l y , i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to f t h et a s lah y b r i ds t e p p i n gm o t o rw i t h s m a l lv o l u m ea n d b i gt o r q u ei sc r e a t e d t h i r d l y , t h ed r i v i n gs t e p p i n gm o t o rt e c h n i q u ea l ea n a l y z e di nt h i sp a p e r a m i c r o - s t e p p i n gd r i v e rf o rh y b r i ds t e p p i n gm o t o ri sd e s i g n e d i nd e s i g n i n go ft h e m i c r o - s t e p p i n gd r i v e r , t w op i e c e so fe p r o m sa n dd a sa l eu s e d a l lt h et e c h n o l o g y m a d et h eo v e r a l lc i r c u i th a sah i g h e rr u n n i n gp e r f o r m a n c e ，f a s ts w i t c h i n gt i m e ，s m a l l p o w e rd i s s i p a t i o na n dv o l u m e i nt h el a s t ，t h em a g n e t i cf i e l do fah y b r i ds t e p p i n gm o t o ri sr e s e a r c h e dw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o d , a n dt h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni se a l c u l a t e d k e yw o r d s ：h y b r i ds t e p p i n gm o t o r m o t o rd e s i g n m i c r o s t e p p i n gd r i v e r 3 dm a g n e t i cf i e l d “ 山东大学硕士学位论文 符号说明 m相数 0 步距角 b磁通密度 ，磁链 p 极数 l铁心长 珥定子外径 乙转子齿数 b o槽宽 d i定子内径 t齿距 h齿宽 b t 齿高 l i o极宽 。 h c 轭部高度 h m 永磁体长度 g 气隙 n细分数 s步数 d 二进制数值 i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：磐淳日期：塑丛： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蝮导师签名：日期：型：! ! p 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 一、本课题研究的目的和意义 步迸电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或者线位移的机电元 件给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者丽进一步，其角位移量与脉 冲频率成正比。它的转速与脉冲频率成正比。尽管每走一步的步距角存在一定的 误差，然而连续旋转一周后，其累积误差为零另外，步进电动机动念响应快， 控制性能好。其突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现 调速，快速起、停，正、反转及制动控制。步进电动机广泛的应用于数控机床、 自动生产线、自动化仪表、计算机外部设备、绘图机等方面f 1 1 。 ， 本课题中所研制的电动机是一种新型的特殊耐高温步进细分控制电动机，是 为某型号直升机用发动机燃油控制系统而研制的。电动机接受燃油控制系统的指 令信号驱动油针，改变供给发动机的燃油流量，从而控制电液执行装置，是系统 的关键执行元件由于该电动机的工作位置在发动机的传动机匣内，工作环境极 为恶劣，要求电动机在高温环境下( 最高温度达1 5 5 c ) 能够工作( 常规步迸电动 机工作环境温度一般不超过8 0 ) ，同时还要求电动机具有体积小、转矩大、控制 精度高的要求。所以电动机在恶劣工况下的工作可靠性将直接影响到发动机的性 能，进而影响到直升机的正常工作，是发动机燃油控制系统的关键部件该电动 机的研制对满足航空航天系统有重要的意义。 目前国内外航空发动机数控系统中较多地采用了电液伺服阀作为电流转换元 件电液伺服阀作为连接电气部分和液压部分的重要桥梁，既起到电液转换作用， 又起到功率放大作用，具有体积小、结构紧凑、功率放大系数大，灵敏度高等优 点但由于其结构复杂、加工精度要求高、内漏流量大，特别是抗污染能力低， 影响了电液伺服阀的可靠使用步进电动机是将电脉冲转变为角位移或线位移的 开环控制元件，脉冲信号与转角呈线性关系，角位移输出无累积误差。在发动机 数控系统中，步进电动机可作为电液转换装置使用，具有工作可靠、控制精度高 等优点但步进电动机体积和重量大、工作环境受限制等缺点制约了其在发动机 数控系统中的进一步应用，因此研制耐高温、体积小、重量轻、功耗小、转矩大、 控制精度高、响应速度快的新型步进电动机，将会极大地提高步进电动机数控系 i 山东大学硕士学位论文 统的性能和可靠性从而可以取代航空发动机数控系统中电液伺服阀作为电流转 换元件。 目f i ，常规步进电动机的工作环境温度一般在一3 5 8 5 c ，最高工作温度不 , 超过l o o c 众所周知，通常情况下常规电动机温度超过1 2 0 时，其工作状态发 生急剧变化，性能随之急居0 下降，严重时会发生电动机失效进而导致燃油控制系 统失效本项目将就电动机在高温环境下的电磁设计技术展丌研究，解决常规步 迸电动机在商温环境下性能不能满足要求和工作可靠性不高的问题。 本文中研制的步进电动机就是重点解决新型电动机耐高温、体积小、重量轻、 功耗小、转矩大、控制精度高、响应速度快的问题。 二、步进电动机的概述 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁磁阻最小原理，其原始模型起源于 1 8 3 0 年至1 8 6 0 年问，定、转子采用双凸极结构1 2 】。2 0 世纪6 0 年代后期，随着永磁材 料的发展，在步进电动机本体方面。各种实用性步进电动机应运而生，而半导体 技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用1 9 5 8 年我国科研单位研制成 功了反应式步进电动机，并开始应用到数控机床中在近3 0 年问，步进电动机迅 速地发展并成熟起来i 引自本世纪中叶，步进电动机的应用渗透到数字控制的各个 领域，其歼环控制的特点尤其在数控机械中广泛利用。步迸电动机系统因其机械 转角、转速与系统的输入脉冲数、频率有严格的对应关系，使其非常适用于开环 数字控制系统。近十几年来，随着步迸电动机驱动技术，特别是升频升压、恒流 斩波驱动技术的发展，使得步进电动机在o a 机器( o f f i c ea u t o m a t i o n ) 、f a 机器 ( f a c t o r ya u t o m a t i o n ) 和计算机外部设备等领域作为控制用电动机和驱动用电动机 而被广泛使用。f a u l h a b e r l 4 1 公司最近研制成的a m 0 8 2 0 系列二相步进电动机，其电 动机长度为1 4 r a m ，重量0 0 0 3 3 k g ，外径8 m m ，是迄今为止最小的、成批生产的高 功率体积比二相步进电动机现代电流型驱动技术的发展和在步进电动机系统中 的应用，使得步进电动机相绕组电流的波形可以有效的控制，步迸电动机的分辨 率不再受相数的限制。这为二相混合式步迸电动机系统运行性能的提高提供了广 阔的前景。目前，二相混合式步进电动机系统的应用是非常广泛的。发展新一代 的高性能混合式步进电动机驱动系统，是我国工业自动化领域中的重要任务之一 山东大学硕士学位论文 步进电动机是较早实用的典型的机电体化元件步进电动机本体、步进电动机 驱动器和控制器是构成步进电动机系统不可分割的三大部分。其系统框图如图1 - 1 脉脉功步 冲 冲 塞 进 负 q 信分放 电 载 号配大机 豳1 1 步进电动机系统构成框i 鳘| 所示。步进电动机的结构类型很多，从结构特点进行分类，一般常使用的电磁式 步进电动机主要类型有反应式步进电动机( v a r i a b l er e l u c t a n c e ，简称v r ) 、永磁 式步迸电动机( p e r m a n e n tm a g n e t ，简称p m ) 、混合式步迸电动机( h y b r i d ，简称 h b ) 和直线式步进电动机1 勰4 j 反应式步迸电动机。定、转子磁路均有软磁材料 制成，定子上有多相绕组，定子磁极和转子上开有小齿，定、转子铁心可做成单 段式或多段式齿距角可以做得很小，起动和运行频率较高。电动机的内阻尼较 小断电时无定位转矩，需用带电定位，消耗功率丈。永磁式步进电动机，定子 上有多相绕组，但定子磁极上不开齿转子用永久磁钢制成，转子极数与定子每 相的极数相同。步距角较大，起动和运行频率较低，相数为偶数( 二相和四相) 为多，断电时有定位转矩，控制功率小混合式步进电动机，结构复杂为永磁 式和反应式的组合，定子结构与反应式相同，转子由位于中部的环形永久磁钢和 位于两端的无磁性铁心组成。环形磁钢轴向充磁，两端的铁心上开有小槽步距 角较小，有较高的起动和运行频率，消耗功率小，有定位转矩，兼有以上两种步 进电动机的优点 步进电动机的特点，归纳起来有 ( 】) 可用数字信号直接进行开环控制，适合于作为数字控制系统的伺服元件。 ( 2 ) 角位移输出与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，受外界条件影响 小，可以组成结构简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求高精度 3 山东大学硕士学位论文 时组成闭环控制系统。 ( 3 ) 在停止供电的状态下，具有一定的自锁能力。 ( 4 ) 步距角能在很大的范围内变化，例如从几分到几十度，在小步距情况下，可以 在超低速下获得高转矩稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。 ( 5 ) 控制性能好，易于起动、停止、正反转及变速，响应性也好。转速与控制脉冲 的频率同步，可在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电 动机可使它们完全同步运行。 同时，步进电动机也有自已的一些缺点： ( 1 ) 步进电动机带惯性负载的能力不强，即步进电动机的负载要与电动机的参数及 传动装置适当配合，j 能获得良好的步进性能。 ( 2 ) 由于存在失步和共振，需要加机械阻尼器，因此步迸电动机的加减速方法根据 利用状态的不同而复杂化。 ( 3 ) 不能直接使用普通的交直流电源驱动，需要配以适当的驱动器。 三、步进电动机研究发展概况 混合式步迸电动机约3 0 年的发展，确立了它在各类步迸电动机中的主流地位。 它的发展依赖于新材料的应用，以及与驱动技术的最佳配合目前，混合式步进 电动机按以下几个方向进行发展：一、是继续沿着小型化的方向发展。随着电动 机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必 须越来越小在5 7 、4 2 机座号的电动机应用了多年后，现在其机座号向3 9 、3 5 、 3 0 、2 5 方向延伸。二、是改圆形电动机为方形电动机由于电动机采用方形结构， 提高了硅钢片的利用率，增大了电动机内部有效空间，使得转子有可能设计得比 圆形大，因而其转矩体积比将大为提高同样机座号的电动机，方形的转矩比圆 形的将提高3 0 - - 4 0 。三、增加转子段数，混合式步进电动机的转予可以是一段 或者多段每段中的永磁体的截面积受转子直径的影响，能提供的磁通有限，再 增加铁心的迭长也不会产生更大的转矩但是可增加转子段数，转矩成倍增大 四、对电动机进行综合设计，即把转子位黄传感器，减速齿轮等和电动机本体综 4 山东大学硕士学位论文 lj ! j ! l i ! ! ! ! ! 皇 合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优越的控制 性能。五、提高绕组绝缘等级，国外混合式步进电动机普遍采用b 级或者更高的绝 缘等级，b 级绝缘允许温度为1 3 0 c ，电动机机壳表面可允许达到l o o 有较高的 允许温升可以适当提高绕组电流密度，因此在绕组空间不变的情况下，获得更多 的励磁安匝数，使保持转矩指标提高 对步进电动机理论的研究，主要是建立步进电动机磁系统的精确的数学模型， 在此基础上分析计算步进电动机的基本特性和参数，对所设计的电动机的运行性 能进行预测；还可以根据运行要求及设计指标进行优化设计。 步进电动机的数学模型在2 0 世纪7 0 年代及以j ；i 基本上均采用线性模型。线性 分析方法包括：解析分析气隙磁场和气隙比磁导法等【6 线性分析方法的不足之 处在于，将定转子铁心表面看成等磁位面，并且认为齿部磁密分布均匀，但实际 上，步进电动机齿部常常十分饱和，齿内磁密分布很不均匀，铁心表面也不是等 磁位面，因此线性分析的结论以及在此基础上建立的计算方法是不精确的。2 0 世 纪7 0 年代末，数值计算方法开始被引入步进电动机的计算。b e r t a n s l 首次采用有 限差分法预测多段反应式步进电动机的矩角特性曲线。1 9 8 2 年，c h a i 和k o n e c n y 采 用有限元法重点分析了齿饱和情况下齿部磁导及其导数，揭示了磁导的导数与磁 阻力问的关系j r b r a u e r l 9 1 利用通用的磁场计算有限元程序计算了轴向磁化的永 磁盘式转子步进电动机，取整个电动机作为场求解区域计算结果表明，最大静 转矩的值与测量值的误差仅为2 ，但是计算量太大，实用性小为了减小磁场数 值求解法的计算量，同时提高等效的网络法的精确性，1 9 8 6 年h a n s e l m a n i0 0 1 采用磁 场的“磁网络单元法”来计算反应式步进电动机的磁场。1 9 8 8 年，g h e i n 提出了精 确的混合式步迸电动机的等值磁网络模型，首次在模型中考虑了定子极间漏磁通， 每极边缘转矩对电动机矩角特性及步距误差的影响，分析了四相混合式步进电动 机谐波转矩对电动机矩角特性及步距误差的影响，但是这种模型耗费的机时量仍 然很大i l l , 1 2 ) 后来为了解决计算精度与计算量的矛盾，种新模型一步进电动 机的齿层比磁导法模型开始用于步进电动机的计算、设计及研究中，并在近几年 得到很大的发展i b 】齿层比磁导法缓和了计算量和计算精度的矛盾，但它毕竟是 一种场路结合的方法，而并非纯粹的场方法，因此它所计算的结果精度必然要受 到一定限制。 i b b i 5 山东大学硕士学位论文 i i 四、本文的主要工作 ( 1 ) 在阅读大量的国内外相关研究文献的基础上，对当前本课题研究的最新状况 进行比较全面、深入的了解，总结各类混合式步进电动机的分析和设计方法，并 立足于课题中小体积、大转矩的要求，设计了一台二相混合式步进电动机。 ( 2 ) 为满足课题的步距角要求，设计了步进电动机i ，5 步细分驱动器。本文提出了 一种基于e p r o m 和d a 实现步进电动机l ，5 步细分的方案，方法简单，易于实现， 具有很强的实用性。在种e p r o m 和d a 组成的硬件电路上，通过软件编程，即 可实现不同细分数和不同电流的输出具有电路简单、性能优良、成本低、有较 大的通用性等特点，设计原则适用于各种步进电动机。该电路经实验验证，证明 具有很好的效果，有较大的实用价值。 ( 3 ) 用有限元法计算了电动机的静态磁场，重点分析计算了电动机齿层区域内的 磁场变化情况，本文利用“场”的方法代替了以前“路”的方法及“场路结合” 的方法，使计算精度大为提高。 iii宣iii 1 i i i i i i i 审高i ；i i i i 宣i i i i i i 昌i i i i 宣高i 萱 6 山东大学硕士学位论文 第二章混合式步进电动机的理论分析和设计 步进电动机由于其结构的特殊性，加之发展的历史不长，它的理论和计算远 不及传统结构的电动机成熟。如前所述，步进电动机有不同的类型，而应用最广 泛的是混合式和反应式这两类步进电动机。步进电动机发展的历程是反应式、永 磁式在先，混合式在后。混合式步进电动机发展相对迟缓，这与永磁材料发展息 息相关近年来，由于各种高矫顽力稀土永磁体的出现，促进了混合式步进电动 机的发展。在相同的体积下，混合式步进电动机可以提供较大的转矩。这使得在 有限的工作空日j 中要求小步距角、高转矩的情况下，往往选用混合式步进电动机， 因此本课题中选用混合式步进电动机。这类电动机与传统结构的电动机相比，虽 然都建立在相同的电磁感应原理的基础之上，但是结构和具体的作用机理有明显 的差别，这使得较成熟的传统结构电动机的研究分析设计计算方法无法直接使用 l 。4 j 。自7 0 年代以来，国内外对于步进电动机的研究分析、设计计算进行了大量工 作，并趋于成熟，已初步形成了若干工程实用的方法，如气隙比磁导法、齿层比 磁导法。 第一节混合式步进电动机的理论分析 混合式步进电动机，这种电动机我国也称为永磁感应子式步进电动机，最早 见于美国专利，称为s l o s y n 电动机【“混合式步进电动机通常有二相、三相、 四相和五相，图2 1 l l 珂为典型二相混合式步进电动机的结构定子铁心上有若干大 极齿，在每个大极齿上设计有若干小齿。在定子相邻大极齿的槽内放置绕组。转 子由转子铁心、永磁材料和轴组成。该种电动机的转子铁心分为两部分，两部分 的铁心相差半个齿距装配而成，定、转子小齿的齿距通常相同永磁材料为轴向 充磁的圆环形，位于转子的中部。从它的磁路内含有永久磁钢这点看，应该说它 也是永磁式步进电动机磁钢在电动机工作中的作用反映了永磁电动机的特点， 另一方面又像反应式一样，定、转子表面开有齿槽使步距角做得很小它是反应 式和永磁式步进电动机的结合，可以做成像反应式一样的小步距，也具有永磁式 控制功率小的优点，常常也作为低速同步电动机运行 w - i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣宣i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i 宣i 宣i i i i 7 山东大学硕士学位论文 l 玺1 2 1 混合式步进电动机的典型结构 混合式步进电动机属定、转子双开槽( 双凸) 结构，内部磁场变化复杂不能用 常规电动枧磁路计算的方法柬计算和设计电机。加上通电状念的特殊，不是正弦 的交流电流，也不是稳定的直流电流，所以它的运行分析、计算和设计都区别于 常规结构的电动机。混合式步进电动机线圈电流产生的异极磁场作用手磁钢产生 的单极磁场，改变了每极磁场的分靠，使极闻产生了磁位差，该磁位差随定子通 电相序同步变化，它作用于气隙基波磁导产生转矩，实现电动机的步进运动。这 种以轴向磁场为基础，径向磁场的作用，又基于反应式的工作原理来解释混合式 的含义才是它的特征由于混合式步进电动机是基于反应转矩工作的，因此可把 它看作一台等效的反应式步进电动机，与反应式步进电动机的差别只是极齿下的 磁势是异性磁势和单极磁势的合成。 第二节混合式步迸电动机的设计特点 混合式步进电动机工作的理论基础是气隙磁场为定子线圈产生的异性径向磁 场对磁钢产生的轴向单极磁场的作用。导致极齿下的气隙磁势压降不同，这个差 值与定、转子齿层结构引起随转角变化的磁导的作用，产生转矩应特别指出， 8 山东大学硕士学位论文 气隙磁场的合成不是如一般电动机那样为两磁场的矢量合成，其值几何相加，而 是两个磁场的算术加减，这是它的特点之一气隙合成磁场的算术叠加，只有在 径向气隙磁场的场强小于或等于轴向磁场时才成立当径向磁场的气隙磁场强度 超过轴向磁场时，超过部分的场强不产生转矩，这是因为超过部分的磁场在极齿 之台j 的作用，与磁钢未充磁前定子线圈电流产生的径向磁场单独作用时的效果相 同。这是混合式步迸电动机设计上区别于其它各类电动机的重要特征。使极齿下 径向气隙磁场小于等于轴向气隙磁场为混合式步进电动机的设计原则，相等时为 最佳设计。 通常，任何电动机都有一个合适的气隙磁密。这罩假定b d 为常数。根据上面 概念可写出如下式予： 哗：吼：c o n m p l ( 2 - 1 ) 式中，一轴向磁势在气隙中的磁链；定子磁势在气隙中产生的磁链：p 一电 机极距：l 一电机铁心长。 当选定了磁钢、确定了电机内径、选择了合适的齿层尺寸之后由式( 2 1 ) 可 见，磁钢产生的轴向磁通可认为与电机铁心长度无关，线圈电流产生的径向磁通 随长度增减而增减。为了便气隙磁场分配合理，使轴向磁场等于径向磁场，对于 一定尺寸、某材质磁钢，必然对应着一个最佳铁心长度。混合式步进电动机的磁 路如图2 3 所示，由磁钢产生的磁通沿轴向穿过转予，然后通过气隙经定子轭部分 闭合；定子绕组通电后产生的磁通分别在两段按径向闭合，与一般的反应式步进 电动机相同。它是径向磁路和轴向磁路的混合，气隙两边齿端处磁密最高，然后 随径向尺寸的延伸而逐渐减小。实践表明，齿端磁密取高饱和磁密为最佳由图 可见，轭、齿部分的磁密径向是正交磁密，轴向既是正交磁密，又是梯形分布磁 密，这是混合式步进电动机的又一特点 山东大学硕士学位论文 ! ! ! s ! ! ! 目! ! ! ! ! ! g ! ! ! ! ! s ! ! g ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! s 目! s ! ! ! ! ! ! ! ! s 目i i i i 图2 - 3 ( a ) 磁钢产生的磁通 图2 3 ( b ) 线圈电流产生的磁通 只要注意到上述提到的各项特点，混合式步进电动机的设计方法类同一般永 磁电动机。但设计顺序略有差别。首先确定电动机的径向几何尺寸。选择磁钢材 料和尺寸，初选铁心长，计算磁钢轴向磁路的磁导，绘制磁钢工作图求出磁钢 有效磁通。折算到极齿端磁密，如磁密太小则增长铁心长度，反之亦然调整后 重新计算，直至得到合适的最佳铁心长度为止再以等磁密为基准，计算电动机 的静转矩。如静转矩太小，可增加并联段数，使静转矩值满足技术要求然后通 过电路和径向磁路的计算，确定产生径向磁场所需的线圈参数，计算过程需多次 反复。 山东大学硕士学位论文 i l i r a 曼皇曼曼量曼蔓穹! 曼曼! 鼍 第三节材料的选择及特性 一、永磁材料的选择及特性 在进行永磁材料的选取时，通常要从以下几个方面进行考虑：为获得足够高 的功率密度，永磁材料应具有足够的剩磁密度、磁感应强度矫顽力及最大磁能积： 永磁材料应具有较好的磁性能，包括热稳定性、磁稳定性和化学稳定性，因此应 选择工作温度点高的永磁材料，使得电机工作在永磁材料退磁曲线的直线部分。 从永磁材料方面束讲，一般情况下我们大都采用铁氧体、钕铁硼、铝镍钴等，铁 氧体温度系数在0 1 9 c ，居晕温度为4 5 0 c 左右。剩磁和矫顽力都不高，因此在 高温下工作稳定性、电机出力和控制精度都不满足要求。铝镍钴矫顽力很低，抗 去磁能力低，容易退磁，同样体积，其出力和时间常数都不能满足要求。而钕铁 硼永磁电机的出力和时间常数都能满足要求，但是温度系数为0 ，1 1 0 o 1 2 ，居罩温 度为3 5 0 c 左右，故在1 5 0 以上工作，电机的可靠性和稳定性将不能保证钐钴 磁性材料x g s - 2 0 0 t 1 6 l 在耐高温方面具有明显的优势。它的特点是剩磁感应强度、 矫顽力及最大磁能积都很高其退磁曲线基本上是一条直线，抗去磁能力强，不 可逆温度系数o 0 3 ，内禀矫顽力1 6 k o e ，最高工作温度在2 5 0 c 以上，居 里温度8 0 0 - - 8 5 0 c ，从性能分析上来讲能满足整个温度范围各项工作性能指标要 求，而且能大大提高电动机的功率密度，再者根据其抗去磁能力强的特点，可以 确保电动机在高温环境下运行的可靠性。其缺点是材料硬而脆，抗拉强度和抗弯 强度均较低，价格较昂贵。 图2 - 4 钐钻材料遐磁曲线 “ 山东大学硕士学位论文 我们拟采用钐钴材料作为该电机的磁钢材料，对该材料的高温性能需要进行 试验分析，通过对该材料的抗去磁性能等综合性能进行试验分析，以最终确定咳 材料能否满足电动机的综合性能要求。在- 5 0 c 低温- f ，由于燃油粘度大，可能会 导致电动机起动困难，因此在设计时，考虑低温影响，保证电动机可靠工作。 二、软磁材料的选择 在软磁材料方面，根据磁钢材选择、电动机有关性能指标和体积的要求，选 用高饱和磁感应强度软磁合会材料高温下普通软磁材料的导磁性能急剧下降。 铁钴钒( 1 j 2 2 ) 软磁合金i l7 】是一个很好的选择，它是软磁材料中饱和磁感应强度最高 的，居罩温度高，矫顽力低，电阻率低，适于作重量轻，体积小的航天航空用电 器元件，使用多年性能稳定，可用作微电机转子，电磁极头，继电器，换能器等。 1 2 2 2 相当于国外的p e r m e n d u r 合会，其饱和磁密可达2 4 t ，居罩温度9 8 0 c 。其特性 见表2 i 。在高温环境下，该材料的磁性能比常规软磁材料至少提高3 0 ，可以有 表2 1i j 2 2 合金的磁性能 牌号 在不同磁场强度( a m ) 时的磁感应强度，t 矫顽力 b 4 0 0b 8 0 0 b 1 6 0 0b 2 4 0 0b 4 0 0 0b 8 0 0 0 ( a m ) 1 j 2 21 6 01 8 02 0 02 1 02 1 52 2 0 5 7 1 l 效地减小电动机体积和重量，。有效地提高其工作效率。为满足高温下电动机的各 项指标达到任务书的要求，对该电动机反复计算多方案优化比较，并将该电动机 的某些指标在高温下是否满足要求分别进行模拟试验。 第四节飞机燃油控制系统用混合式步进电动机的设计 一、基本性能要求 外形尺寸3 6 3 6m m ，有效电压d c 2 4 v ，相电流1 a ，静转矩o 5 n m ，最 高运行转速2 0 0 转，分，起动转速1 5 0 转，分，额定功率1 5 w ，步距角o 3 6 4 二、混合式步进电动机的设计步骤 下面给出了按本文思路所确定的混合式步进电动机的设计步骤： 1 2 山东大学硕士学位论文 确定主要尺寸： 由设计任务中给出的额定负载转矩，它通常应为最大静转矩的3 0 5 0 左 右，来确定最大静转矩。从最大静转矩确定定子外径政，并选定机座号定子铁 心内外径的比值取0 4 0 7 ，从而确定定子内径。根掘长径比确定铁心长度。 冲片设计： 根据对步距角的要求，确定转子齿数z f ，定子极数p ，每极大槽槽宽b o ：定子 每极齿数z s 。取齿宽b l _ = o 3 8 t ，齿高h i = 0 4 t ，根据加工工艺条件确定一尽量小的气 i r g , 值g 。确定定子极身宽度：h p = ( 1 4 1 6 ) z s + b t ；定子轭部高度：h 矿o 8 b p ：转子轭 部高度：l l c r = k 转子外径d , = d , - 2 9 ，转子内径d i 2 = d r 2 h a - 2 h t 确定永磁体外径 d 。= d r - - 2 h ，内径d 。i = d 1 2 长度h 。 绕组设计： 根掘所需要的励磁总安匝数，确定每极匝数。由定子槽面积和绕组电流密度 并查表确定线径，小机座号的步进电动机绕组电流密度可取8 1 2 安毫米2 ，并计 算槽满率 性能校核： 建立电动机的非线性磁网络模型， 阻、电感、时间常数，转子转动惯量， 求出电动机的最大静转矩，每相电路的电 起动频率。 若满足要求，则认为设计合理，否则重选定子内径重新计算 三、混合式步进电动机主要参数设计 通过以上步骤的设计，得到了一台混合式步进电动机，具体参数见表2 2 。 表2 - 2 电动机的主要尺寸数据 定子铁心外径( m m ) 3 2 o 定子铁心内径( m m ) 1 9 8 定子极宽( 舢m ) 7 9 定子轭高( r n m ) 3 5 定子总极数 8 定子铁心长度( m m ) 2 5 0 1 3 山东大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! s ! ! ! s ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! l ! ! ! ! ! s ! 目 转子铁心外径( m m ) 1 9 7定子每极齿数 6 转子每段铁心长度( m m ) 5 0转子齿数5 0 槽宽( m m ) o 7 7 齿宽( r a m ) 0 4 7 每极每相匝数 6 4 齿高( m m ) 0 9 转子磁钢外径( m h l ) 1 5 5线径 o 2 5 磁钢长度( m m ) 0 2 磁钢内径( r a m ) 5 o 四、结构设计 定子由带绕组的铁心和前、后端盖组成，其周围的空间浇铸了环氧，使定子 整体更加牢靠，既增加了定子的结构强度：又便于加工定子的内孔，同时尺寸精 度在工艺上容易得到保证【1 8 伸l 。转子则是由转轴、转子铁心、磁钢组成，同样要 保证结构牢靠，易于加工，提高轴承档和转子表面的尺寸精度 五、定子冲片设计 定子冲片的外径尺寸由给定要求的尺寸决定，采用无机壳结构。内径尺寸则 与转子外径尺寸以及所选的气隙的大小有关，内外径的合适比值是0 4 o 7 ，其中 小值对应于小的机座号，大值对应于直径大、极数多齿距小的电动机，通常在0 5 左右。从有效材料利用情况来看，长径比取0 ，6 2 0 齿宽与齿距的比值对电动机 的性能指标有相当大的影响，一般取0 3 2 o 3 8 较合适，极限值不能超过0 5 。齿高 与齿距的比值取0 5 1 ，通常小齿距的电动机可取偏高值。气隙一般取工艺上容许 的最小值，适当考虑加工的工业性及可靠性。气隙值对电动机性能的影响特别明 显，通常取小值对提高电动机的电气性能指标有好处一般来说可以由经验参数 预先估计，对不同的尺寸选取后利用设计程序估算电动机的性能，进行多次调整 综合确定定子轭高的确定主要是在磁路设计时考虑磁路在轭部所经过的磁密接 近而不达到材料的磁饱和，这样既有合理的磁压降又能充分发挥材料的性能；同 理可以确定极宽。 1 4 山东大学硕士学位论文 六、转子冲片设计 图2 4 定子冲片 转子结构如图2 5 所示转予采用两段结构，具有两块磁钢、四块转子铁心， 相邻的转子铁心间相互错开1 ，2 齿距实际上每两个转子铁心和一块磁钢构成的磁 路，中间用隔磁环隔开，电动机的出力也就是这两端转子的叠加，其转子铁心的 冲片图如图2 6 所示，定、转子齿相同。在混合式步进电动机转子上，软磁材料与 硬磁材料粘结在一起，二者之脚的粘结直接影响电动机的可靠运行。 r _ 机 1 51 i 一 i 一 l 一 ii ll ll 55 幽2 5 两段结构的转子 i i i i 1 5 山东大学硕士学位论文 七、磁路设计 l 玺1 2 - 6 转f 冲片 从图2 1 的电动机结构图中可知，电动机内部的磁路在静态时是自封闭的，其 磁路的路径已经确定。磁钢形状确定后可以对静态的磁路进行计算，估算磁钢的 尺寸及其静念工作点、气隙磁密、各部分的磁压降、磁密，电动机的自定位转矩 等数掘。磁路设计的过程也就是确定磁钢尺寸，定子及其冲片尺寸、转予及其冲 片尺寸和气隙大小的过程。在上面定子冲片，转子冲片设计过程中和磁路设计相 关已经有所提及。气隙的选择是以工艺能够保证的、在工作坏境条件下定转子不 发生接触划擦，越小越好。般对磁钢工作点及气隙磁密影响较大的量为气隙的 大小，因为气隙磁压降所占的比例较大，当然这只是在定、转子铁心没有饱和的 情况下爿。会如此，有时结构尺寸方面的限制，定、转子铁心特别是齿的磁密可以 设计得较为饱和。 八、绕组设计 电动机为二相，由于定子8 个槽，绕组连接图如图2 - 7 所示为了减小驱动电流， 将相对极下的绕组串连起来，而不是采用并联形式。绕组参数主要有导线的材料、 绝缘等级、线径、匝数的选取，一般用纯铜芯，绝缘性、耐热性越高，漆层就越 厚。线径和匝数首先要满足一定槽满率的要求，工艺上能够下线，这样就存在着 矛盾：线径大则匝数就小，线径小匝数就大而线径和匝数同时决定着电阻的大 小，在静态通电时就决定着静态电流的大小，在磁场没有饱和的情况下，电动机 1 6 山东大学硕士学位论文 m i 曼曼曼曼皇量曼曼曼曼蔓曼曼曼! 曼曼篁! ! ! ! 曼曼! ! ! 蔓皇! ! 鼍! ! ! 皇曼皇皇! 鼍皇曼曼! 皇曼 的静转矩即保持转矩一般与安匝数成正比，总希望安匝数大越大越好，因此调整 线径和匝数获得较高的静态的安匝数可以近似获得较好的性能。 图2 - 7 绕组连接示意图 1 7 山东大学硕士学位论文 第三章二相混合式步进电动机细分驱动器的研制 步进电动机和一般交、直流电动机不一样，不能直接接到交直流电源上工作， 而必须使用专用设备步进电动机驱动器 2 0 l 。步进电动机驱动器从功能上来说 主要包括两大部分，一部分为逻辑控制电路及d a 转换电路部分。第二部分为功率 放大电路部分。通常的步进电动机逻辑控制电路都是由采用环形分配器构成，根 据步进电动机励磁状态转换表求出所需的环形分配器输出状态表，并以二进制的 形式依次存入r o m 中，按照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，则r o m 的输出即表示各励磁状态。由环分器输出的电流很小，不能直接驱动步进电动机， 所以环分器后都接有功率放大电路。这种驱动电路具有元件多、可靠性差等缺点。 步进电动机驱动器的设计也是围绕着逻辑控制和功率放大电路这两部分的研究而 不断发展的。本文提出种基于存储技术的步进电动机细分驱动器，用e p r o m 和 d a 实现步进电动机细分驱动所需的j 下余弦电压，用h 桥结构的功放电路集成芯片 u c 3 7 7 0 a 实现双极性输出，该电路具有结构简单、体积小、可靠性强、通用性高 等优点 第一节混合式步进电动机驱动器的原理 步进电动机驱动器的主要构成如图3 1 所示1 2 “，一般由环形分配器、信号处理 级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还要有多种保 护线路。环形分配器用来接受来自控制器的c p ( 时钟) 脉冲，并按步进电动机状态转 换表要求的状态顺序产生各相导通或截止信号。每来一个脉冲，环形分配器的输 出转换一次。因此，步进电动机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取 决于脉冲的有无或频率。同时环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决 定其输出的状态转换还是按j f 序或者反序转换，于是就决定了步迸电动机的转向。 接受脉冲和方向电平是环形分配器的最基本功能。从环形分配器输出的各帽导通 或截止的信号送入信号放大与处理级。信号放大的作用是将环形输出信号加以放 大，变成足够大的信号送入推动级，这中问一般既需要电压放大，也需要电流放 大信号处理是实现某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特殊功能的信号， 从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路组合在一起，形成较高性 能的驱动输出推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级输 山东大学硕士学位论文 入的较大信号。有时，推动级还承担电平转换的功能。保护级的作用是保护驱动 豳3 1 步进电动机驱动器 级的安全一般可以根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护 等。有时还需要对输入信号进行监护，发现输入异常也需要提供保护。信号处理 级、推动级、保护级，不同的线路差别很大。驱动级直接与步进电动机各相绕组 相连，它接受来自推动级的信号，控制电动机各相绕组的导通与截止，同时也对 各相绕组承受的电压和电流进行控n t 2 2 1 步进电动机常用驱动方式可分为：单电压驱动、高低压驱动、调频调压驱动、 斩波恒流驱动和细分驱动等，本文只介绍细分驱动。 步迸电动机细分驱动技术是二十世纪7 0 年代中期发展起来的，它是一种可以 显著改善步进电动机综合性能的驱动控制技术1 9 7 5 年美国学者t r f r e d r i k s e n 首 次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电动机步距角细分的控制方 法。实践证明，步进电动机细分驱动技术可以减小步进电动机的步距角，提高步 进运行的平稳性，消除低频振荡和失步，降低噪声，增加控制的灵活性等【2 3 1 步 进电动机是由脉冲电压供电的，对应一个电压脉冲，转予转动一步，即转动个 步距角。在一般情况下，根据电压脉冲的分配方式。步迸电动机各相绕组的电流 轮流切换，从而使电动机的转子步进旋转。如果每次输入脉冲切换时，只改变对 应绕组中额定电流的一部分，那么转子相应的每步转动也只会是原有步距角的一 部分。额定电流分成多少个级别进行切换， 专子就以多少步来转完一个原有的步 距角很明显，通过控制绕组电流的数值可以调整步进电动机步距的大小也就 是说把步距角细分成若干步来完成，故这种步迸电动机的控制方式称为细分控制 1 2 4 2 5 筇1 。步进电动机细分原理如下图3 2 所示： 宣i i i i i ii,i 1 9 山东大学硕士学位论文 脉冲 b 相 | 星1 3 2 细分原理图 以二相电动机为例，假如电动机的相电流为l a ，如果使用常规驱动器( 如常用 的恒流斩波方式) 驱动电动机，电动机每运行一步。其绕组内的电流将从o a 突变为 l a 或由1 a 突变至i 0 a ，相电流的巨大变化，必然会引起电动机运行的振荡和噪音。 如果使用细分驱动器，在1 0 细分状态下驱动该电动机，从而把原步距角细分成l o 步来完成，即原来对应于一个电压脉冲，转子转动一步为1 8 度，经l o 细分后则每 走一步为0 1 8 度，电动机每走一微步，其绕组内的电流变化只有0 i a 而不是l a 。 且电流是以j 下弦曲线规律变化，这样就大大的改善了电动机的振荡和噪音。 为了实现细分，就要在控制电路上采取一定的措旅。典型的方法是控制步进 电动机各相励磁绕组中的电流，使其按阶梯上升或下降。目前，常用的步进电动 机细分驱动电路有斩波式和脉宽调制式两种。斩波式细分驱动电路的基本工作