（电机与电器专业论文）航空直线直流步进电动机驱动控制技术的研究.pdf

西北t业大学硕_ l 学位论文摘要 ab s t r a c t t h e t h e s i s r o o t s i n t h e i t e m s u p p o rt e d b y fi ft e e n a v i a t i o n f u n d s -d r i v e a n d c o n t r o l s y s t e m o f n e w t y p e a e r o n a u t i c l i n e a r d c m o t o r ( l d c m) . t h e t h e s i s s t u d i e s m a i n l y t h e d r i v e , a n d c o n t r o l t e c h n i q u e o f a e r o n a u t i c l i n e a r d c s t e p m o t o r ( l d c s m) u s e d i n e m e r g e n c y d i s c h a r g i n g o i l v a l v e o n a ir p l a n e . i n t h e p a p e r , c h a r a c t e r i s t i c s a n d w o r k p r i n c i p l e o f t h e l in e a r d c m o t o r a r e a n a l y z e d a n d t h e n o n l i n e a r m o d e l o f t h e h y b r i d l i n e a r s t e p p e r m o t o r i s b u i l t . me t h o d s a b o u t h o w t o s u b d i v i d e c u r r e n t e q u a b l y a r e d i s c u s s e d a n d t h e w i n d i n g c u r r e n t p i c t u r e i s a n a l y z e d . i n t h e p a p e r t h e i d e a l s h i ft s p e e d c o n t r o l c u r v e o f s t e p p e r m o t o r i s d e d u c e d a n d d i ff e r e n t p r a c t i c a l m e t h o d s a r e g i v e n . a l s o h a r d w a r e c i r c u i t s a n d s o ft w a r e d e s i g n s o f e a c h p a r t o f c o n t r o l l e r a r e p r o p o s e d . a c c o r d i n g t o t h e s y s t e m t e c h n o l o g y r e q u i r e s , s i n g l e 一 c h i p i s a d o p t e d a s t h e c o r e t o r e a l i z e o p e n l o o p d i g i t a l c o n t r o l o f h d c l s m ; m i c r o - s t e p p i n g c o n t r o l i s u s e d t o e n s u r e t h e m o t o r r u n n i n g s m o o t h l y ; s h i ft s p e e d c o n t r o l m e t h o d i s u s e d t o e l im i n a t e e ff e c t i v e l y t h e m e c h a n i c a l i m p a c t o f d i s t a n c e t e r m i n a t i o n . a t la s t , t e s t i s m a d e i n h y b r i d s t e p p e r c o n t r o l s y s t e m r e a c h e s t h e q u a l i t i e s m o t o r . t h e e x p e r i m e n t r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h i s r e q u i r e d a n d r u n s m o o t h l y . mo r e o v e r , a e r o n a u t i c l i n e a r d c m o t o r c o n t r o l s y s t e m n o t o n l y c a n in s t e a d t h e d r i v e m o t o r e m e r g e n c y d i s c h a r g i n g - o i l v a l v e , b u t a l s o c a n b e u s e d i ns om elo w p o w e r e l e c t r o m o t i o n m a c h i n e m a k i n g l i n e a r l o c o m o t i o n . t h e m o t o r f o r e g r o u n d p r e f e r a b l y . e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n k e y w o r d s : h y b r id l i n e a r d c m e c h a n i c a l i m p a c t , m o t o r , s i n g l e - c h i p ,s u b d i v i s i o n c o n t r o e m e r g e n c y d is c h a r g i n g o i l v a l v e 西北工业大学硕士学位论文第-章 绪论 第一章 绪论 本章介绍了直线电 机的分类特点、 优越性及其发展前景; 概述了 所研制的新 型航空 用直线直流电动机驱动控制系统的 研究目 的、 主要 研究内 容、 关键技术以 及系统的性能指标等;并阐述了 作者所做的主要 研究工作 1 . 1直线电机的优越性及发展前景 ， . ， . ，直线电机的国内外发展概况及应用 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能， 而不需要通过任何中间 转换机构的特种电 机。它是2 0 世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理、新理 论的新技术。 它具有结构简单、 传动效率高、 运行可靠、 直线速度可调、 噪声小、 热负荷高、 耐腐蚀、 耐高 温等优点， 用途十分广泛， 是一种很有发展前途的电机 新品种1 1 1 早在 1 8 4 0年，惠斯登 ( wh e a t s t o n e )就开始提出并试制了略具雏形的直线 电动机， 但没有成功。 从那时至今， 直线电机一直在不断的发展和完善中， 先后 经历了探索试验、开发应用和实用商品化三个阶段。 近5 0 年来， 直线电 机发展很快。 1 9 4 5 年美国的w e s t i n g h o u s e 电 气公司首先 研制成功名为“ e l e c t r u p u l t ” 的电 力牵引 飞 机弹 射器。 它以7 4 0 0 k w的 直线电 动 机为动力，成功地用4 . 1 s 时间 将一架重4 5 0 0 k g 的喷气式飞机在 1 0 2 m行程内由 静止加速到 1 8 5 k m / h 的速度。 它的试验成功， 使直线电 动机的优点受到重视。 继 此又出现多项成果。例如，1 9 5 2年美国研制成核工业用的利用直线感应电动机 原理的抽取液态钠、钾的电磁泵;1 9 5 4年英国皇家飞机制造公司利用双边扁平 型直流直线电 机制造成了发射导弹的装置。 但是这个时期直线电机始终没有能够 得到真正的应用。1 9 5 6年英国的 l a i t h w a i t e等发表了 有关直线电动机理论的论 文;1 9 6 2年英国展示了用直线电动机传动的列车模型 ( 轨道长 9 1 4 m) ;日 本的 宇佐美等着手研究无摩擦传动及无接触悬浮装置;1 9 6 5年前苏联出版 液态金 属电 磁输送 一书; 美国s k in e e r p r e c i 公司出 售名为p o ly n o i d 的圆筒形直线电 动 机， 直线电 动机正式以商品的形式进入市场3 西北工业大学硕士学位论文第-章 绪论 第一章 绪论 本章介绍了直线电 机的分类特点、 优越性及其发展前景; 概述了 所研制的新 型航空 用直线直流电动机驱动控制系统的 研究目 的、 主要 研究内 容、 关键技术以 及系统的性能指标等;并阐述了 作者所做的主要 研究工作 1 . 1直线电机的优越性及发展前景 ， . ， . ，直线电机的国内外发展概况及应用 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能， 而不需要通过任何中间 转换机构的特种电 机。它是2 0 世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理、新理 论的新技术。 它具有结构简单、 传动效率高、 运行可靠、 直线速度可调、 噪声小、 热负荷高、 耐腐蚀、 耐高 温等优点， 用途十分广泛， 是一种很有发展前途的电机 新品种1 1 1 早在 1 8 4 0年，惠斯登 ( wh e a t s t o n e )就开始提出并试制了略具雏形的直线 电动机， 但没有成功。 从那时至今， 直线电机一直在不断的发展和完善中， 先后 经历了探索试验、开发应用和实用商品化三个阶段。 近5 0 年来， 直线电 机发展很快。 1 9 4 5 年美国的w e s t i n g h o u s e 电 气公司首先 研制成功名为“ e l e c t r u p u l t ” 的电 力牵引 飞 机弹 射器。 它以7 4 0 0 k w的 直线电 动 机为动力，成功地用4 . 1 s 时间 将一架重4 5 0 0 k g 的喷气式飞机在 1 0 2 m行程内由 静止加速到 1 8 5 k m / h 的速度。 它的试验成功， 使直线电 动机的优点受到重视。 继 此又出现多项成果。例如，1 9 5 2年美国研制成核工业用的利用直线感应电动机 原理的抽取液态钠、钾的电磁泵;1 9 5 4年英国皇家飞机制造公司利用双边扁平 型直流直线电 机制造成了发射导弹的装置。 但是这个时期直线电机始终没有能够 得到真正的应用。1 9 5 6年英国的 l a i t h w a i t e等发表了 有关直线电动机理论的论 文;1 9 6 2年英国展示了用直线电动机传动的列车模型 ( 轨道长 9 1 4 m) ;日 本的 宇佐美等着手研究无摩擦传动及无接触悬浮装置;1 9 6 5年前苏联出版 液态金 属电 磁输送 一书; 美国s k in e e r p r e c i 公司出 售名为p o ly n o i d 的圆筒形直线电 动 机， 直线电 动机正式以商品的形式进入市场3 西北t业大学硕士学位论文第一章 绪论 与此同时， 直线电机理论也取得了很大的发展， 有关的文献和书刊不断出版。 1 9 6 6 年英国出 版l a i t h w a i t e 的著作 “ 特殊用途感 应电 动机” ，为直线感应电 动机 理论莫定了基础。 此后， 直线电 动机进入了蓬勃发展阶段。 许多国家为了把直线 电动机用作高速地面运输的推进装置，开展了大量研究1作。速度为 5 0 0 k m / h 左右的高速列车的技术问题相继获得解决。 与此同时， 各类直线电 动机的工业应 用也得到迅速发展， 制成了 不少具有实用价值的装置， 如直线电动机传动的电动 门、电磁搅拌器、 传送带、自 动绘图仪、 计算机磁盘定位机构等。 低速直线电动 机在不少国家己有系列产品可供选用。 近年来， 日 本正在研究直线电动机传动的高速垂直运输装置， 拟用于超高层 建筑的高速电 梯。 同时， 直线电 动机传动的三维空间运输系统获得成功， 电 动机 能水平和垂直运动， 并能转弯，已 用于医院中安放药品、 试样、 材料的盒箱的空 间运输。 使用直线步进电动机的人工心脏和使用直线直流电动机的电磁推进船的 研究正在进行之中。 此外， 直线电 动机在传动小车、 搬运钢管、 搬运钢板、 传送 器件等方面己有成熟的应用。 我国自7 0 年代以来，直线电机的研究发展很快。中国科学院电工研究所和 上海工业大学、 西安交通大学、 浙江大学、 太原工业大学等高等学校以 及一些科 研单位和厂矿企业， 在直线电动机的理论研究和工业应用中取得了 许多成果。 在 直线电动机应用方面成果丰富， 获得推广并取得较大效益的有: 煤矿井口 推车机、 电 动门、 送料机裤手、 铁路栏道栅、 调车场加减速器、 电 磁打箔锤、 窗帘开闭 器、 浮法玻璃搅拌机等。目 前己经开始磁悬浮列车研究川 。 由 此可见， 直线电机在国内外发展非常之迅速。 这是由 直线电 机的诸多优点 所决定的，下面简述直线电机的优越性。 1 . 1 . 2直线电机的优越性 过去， 在各种工程技术中需要直线运动时， 一般是用旋转电机通过曲 柄连杆 或蜗轮蜗杆等传动机构来获得的。 但是， 这种传动形式往往会带来结构复杂， 重 量重， 体积大， 啮合精度差且工作不可靠等缺点。 而与旋转电 机传动相比， 直线 电 机则可克服这些缺点， 它所具有的突出优势， 已 越来越引起人们的重视， 由直 线电机驱动的装置与系统所具有的优越性概括如下: 西北t业大学硕士学位论文第一章 绪论 与此同时， 直线电机理论也取得了很大的发展， 有关的文献和书刊不断出版。 1 9 6 6 年英国出 版l a i t h w a i t e 的著作 “ 特殊用途感 应电 动机” ，为直线感应电 动机 理论莫定了基础。 此后， 直线电 动机进入了蓬勃发展阶段。 许多国家为了把直线 电动机用作高速地面运输的推进装置，开展了大量研究1作。速度为 5 0 0 k m / h 左右的高速列车的技术问题相继获得解决。 与此同时， 各类直线电 动机的工业应 用也得到迅速发展， 制成了 不少具有实用价值的装置， 如直线电动机传动的电动 门、电磁搅拌器、 传送带、自 动绘图仪、 计算机磁盘定位机构等。 低速直线电动 机在不少国家己有系列产品可供选用。 近年来， 日 本正在研究直线电动机传动的高速垂直运输装置， 拟用于超高层 建筑的高速电 梯。 同时， 直线电 动机传动的三维空间运输系统获得成功， 电 动机 能水平和垂直运动， 并能转弯，已 用于医院中安放药品、 试样、 材料的盒箱的空 间运输。 使用直线步进电动机的人工心脏和使用直线直流电动机的电磁推进船的 研究正在进行之中。 此外， 直线电 动机在传动小车、 搬运钢管、 搬运钢板、 传送 器件等方面己有成熟的应用。 我国自7 0 年代以来，直线电机的研究发展很快。中国科学院电工研究所和 上海工业大学、 西安交通大学、 浙江大学、 太原工业大学等高等学校以 及一些科 研单位和厂矿企业， 在直线电动机的理论研究和工业应用中取得了 许多成果。 在 直线电动机应用方面成果丰富， 获得推广并取得较大效益的有: 煤矿井口 推车机、 电 动门、 送料机裤手、 铁路栏道栅、 调车场加减速器、 电 磁打箔锤、 窗帘开闭 器、 浮法玻璃搅拌机等。目 前己经开始磁悬浮列车研究川 。 由 此可见， 直线电机在国内外发展非常之迅速。 这是由 直线电 机的诸多优点 所决定的，下面简述直线电机的优越性。 1 . 1 . 2直线电机的优越性 过去， 在各种工程技术中需要直线运动时， 一般是用旋转电机通过曲 柄连杆 或蜗轮蜗杆等传动机构来获得的。 但是， 这种传动形式往往会带来结构复杂， 重 量重， 体积大， 啮合精度差且工作不可靠等缺点。 而与旋转电 机传动相比， 直线 电 机则可克服这些缺点， 它所具有的突出优势， 已 越来越引起人们的重视， 由直 线电机驱动的装置与系统所具有的优越性概括如下: 西北工业大学硕 卜 学位论文 第一章 绪论 l ) 整个系统得到简化 直线电机由于不需要任何中间转换装置， 因而使整个系统得到简化， 保证了 运行的可靠性， 减小了振动和噪音， 提高了传递效率，降低了制造成本， 并且易 于维护。 2 )可实现快速响应 用直线电机驱动时， 由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响， 因而 加速和减速时间短，可实现快速起动和正反向直线运动。 3 )减小机械损耗 由于直线电机是通过电能直接产生直线电磁推力的， 其运动时可以无机械接 触， 使传动零部件无磨损， 从而大大减少了机械损耗， 例如直线电机驱动的磁悬 浮列车就是如此。 4 ) 某些特殊场合使用 由于直线电机结构简单， 而且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封 成整体， 所以可以在一些特殊场合中 应用， 例如可在潮湿甚至水中使用， 可在有 腐蚀性气体或有毒、 有害气体中应用， 亦可在几千度的高温下或几百度的 低温下 使用。 5 )散热面积大，容易冷却 由于直线电机结构简单， 其散热效果也较好， 所以这一类直线电机的热负荷 可以取得较高，并且不需要附加冷却装置。 6 ) 装配灵活性大，可将电机和其它 机件合成一体4 l 由上可见，由直线电机驱动的装置与系统在一些合适的场合上具有很大的 优势。 不久的将来， 它将像微电子技术和计算机技术一样， 在人类的各个领域中 得到广泛的应用。 当然， 任何事物都不可能十全十美的， 直线电机也不例外， 它 也存在着一些不足之处，主要表现在以下两个方面: 1 )与同容量旋转电机相比，直线电机的效率和功率因素要低，尤其在低速时比 较明显; 2 ) 直线电机特别是直线感应电机的起动推力受电源电压影响较大，故需采取有 关措施保证电 源的稳定或改变电 机的有关特性来减少或消除这种影响。 总体来说，直线电机在一些合适的直线运动装置或系统中，能发挥很大的作肘。 西北工业大学硕_ l 学位论文 第一章 绪论 1 . 1 . 3直线电机的分类与特点 直线电机是直接产生直线运动的电动机。 可以看成是从旋转电动机演化而来 的。 设想把旋转电动机沿径向剖开， 并将圆周展开成直线， 就得到了直线电动机。 旋转电动机的定子和转子，在直线电动机中称为初级和次级。 直线电 机的分类有多种瓜式， 原则上对应于每一种旋转电机都有其相应的直 线电机。 1 )直线电机按其结构主要可分为扁平型、圆筒型、圆弧型和圆盘型四种。它可 以采用交流电源， 直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。目前应用最广泛的 是 扁 平 型 直 线电 机 o 1 2 ) 直线电机按其功能用途主要可分为力电 机、功电 机和能电机。 3 )直线电机按其工作原理可分为两大方面，即直线电动机和直线驱动器。 直线电机主要是指直线电动机，它包括交流直线感应电动机 l i n e a r i n d u c t i o n m o t o r s -l i m ) 、交流直线同步电 动机 ( l i n e a r s y n c h r o n o u s m o t o r s - l s m) 、直线直流电 动机( l i n e a r d c m o t o r s -l d m ) 、直线步进 ( 脉冲)电 动机 ( l i n e a r s t e p p e r ( p u l s e ) m o t o r s -l p m) 和混 合式 直线电 动机( l i n e a r h y b r i d m o t o r s -l h m ) 等。 在这些直线电机中， 直线同步电动机由于成本较高， 目 前在工业中应用不多， 但它的效率高， 适宜于作为高速的水平或垂直运输的推进装置。 直线直流电动机 当采用高性能永磁体时可以 做得惯性小、 推力大， 在小行程场合有较多的 应用。 直线感应电动机与步进式直线电动机在工业用直线电机中占主导地位。 而感应式 直线电动机的控制性能和效率还不近人意， 在输出同样推力的情况下， 直线步进 电动机和直线感应电动机相比， 其效率远大于直线感应电动机， 有时视在功率要 差一倍以上。 1 . 1 .4直线直流电动机的选型 一般采用直流供电的直线电动机分为:直流直线伺服电动机 ( d c l i n e a r s e r v o m o t o r ) 、直线步进电动机 ( l i n e a r s t e p p i n g m o t o r ) 、 压电 直线电动机 ( p i e z o e l e c t r i c l i n e a r mo t o r ) 、开关磁阻直线电动机 ( s w i t c h e d r e l u c t a n c e l i n e a r 西北工业大学硕_ l 学位论文 第一章 绪论 1 . 1 . 3直线电机的分类与特点 直线电机是直接产生直线运动的电动机。 可以看成是从旋转电动机演化而来 的。 设想把旋转电动机沿径向剖开， 并将圆周展开成直线， 就得到了直线电动机。 旋转电动机的定子和转子，在直线电动机中称为初级和次级。 直线电 机的分类有多种瓜式， 原则上对应于每一种旋转电机都有其相应的直 线电机。 1 )直线电机按其结构主要可分为扁平型、圆筒型、圆弧型和圆盘型四种。它可 以采用交流电源， 直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。目前应用最广泛的 是 扁 平 型 直 线电 机 o 1 2 ) 直线电机按其功能用途主要可分为力电 机、功电 机和能电机。 3 )直线电机按其工作原理可分为两大方面，即直线电动机和直线驱动器。 直线电机主要是指直线电动机，它包括交流直线感应电动机 l i n e a r i n d u c t i o n m o t o r s -l i m ) 、交流直线同步电 动机 ( l i n e a r s y n c h r o n o u s m o t o r s - l s m) 、直线直流电 动机( l i n e a r d c m o t o r s -l d m ) 、直线步进 ( 脉冲)电 动机 ( l i n e a r s t e p p e r ( p u l s e ) m o t o r s -l p m) 和混 合式 直线电 动机( l i n e a r h y b r i d m o t o r s -l h m ) 等。 在这些直线电机中， 直线同步电动机由于成本较高， 目 前在工业中应用不多， 但它的效率高， 适宜于作为高速的水平或垂直运输的推进装置。 直线直流电动机 当采用高性能永磁体时可以 做得惯性小、 推力大， 在小行程场合有较多的 应用。 直线感应电动机与步进式直线电动机在工业用直线电机中占主导地位。 而感应式 直线电动机的控制性能和效率还不近人意， 在输出同样推力的情况下， 直线步进 电动机和直线感应电动机相比， 其效率远大于直线感应电动机， 有时视在功率要 差一倍以上。 1 . 1 .4直线直流电动机的选型 一般采用直流供电的直线电动机分为:直流直线伺服电动机 ( d c l i n e a r s e r v o m o t o r ) 、直线步进电动机 ( l i n e a r s t e p p i n g m o t o r ) 、 压电 直线电动机 ( p i e z o e l e c t r i c l i n e a r mo t o r ) 、开关磁阻直线电动机 ( s w i t c h e d r e l u c t a n c e l i n e a r 西北工业大学硕十学位论文 第一章 绪论 mo t o r )等儿大类，下面分析每种电机的特点及适用场合。 1 )压电式直线电机 压电式直线电机的工作原理利用压电材料的逆压电效应直接将电能变成机 械能。 而在常规的电机都是基于法拉第电磁原理， 即根据载流导体在磁场中受到 电 动力的作用原理，将电能转换成机械能。一般压电直线电机步距小、精度高， 但推力不大， 行程较短。 主要适合光学聚焦、 激光干涉仪等计量系统中。 对本项 目 来说，该种电机不适合飞机应急放油阀使用。 2 )开关磁阻直线电机 开关磁阻式直线电机需要位置检测器才 一 能实现电 机的换向 控制， 虽具有串激 电 机的特性， 但其低速平稳性差。 所以国外一些国家己将其用于中小功率运输车 辆的驱动中，尤其适合于磁悬浮列车的牵引和驱动， 但不适宜于本项目。 3 )直流直线伺服电机 直流直线伺服电机像旋转式直流电 动机一样， 一般必须有电刷和换向器。 该 种电 机的明显优点是: 运行效率高， 无交流直线电机功率因数低的问题， 控制方 便、 灵活。 其闭 环控制系统可将输入电 信号变换成位移或速度输出， 调速平滑性 好， 是本项目 可供选择的一种方案。 但其致命缺点是运行行程短， 不适宜航空大 行程直线作动系统应用。另外，该电 机的机械换向也是一个主要的弊端。 为了克服上述弊端， 可以 采用较先进的无刷直流直线电动机， 用电子换向代 替机械换向。 该电 机是一种机电一体化系统， 克服了 有刷直流直线伺服电 机的主 要缺点。 理论上说， 无刷直流直线电动机的行程可以无限长， 适宜航空大行程直 线作动系统应用。 但无刷直流直线电 动机的缺点是需要动子位置传感器来实现电 机的电子换向，电机引出 线多、控制复杂，高精度控制还需要直线位移传感器。 由于结构的影响，其低速力矩脉动较大。 为了利用无刷直流直线电 动机行程大、 换向 方便， 无电 磁噪声、 换向火花、 电 磁干扰、 机械磨损的优点， 而又可克服其缺点， 本项目 拟引入直流直线步进电 动机。 4 ) 直线步进电 机 直线步进电 机是一种将输入的电脉冲信号转换成直线位移的机电 元件， 当 这 种电 机外加一个电脉冲， 电机就会直线地运动一步， 故称直线步进电 机。 该电 机 西 北工业大学硕 卜 学位论文第一章 绪论 无需直线位置传感器，可实现不丢步、不越步状态下的长行程、快速可逆运行， 单片机的数字控制可完成高质量的控制品质要求， 还可有效消除行程末端的机械 冲击， 拟制噪声; 细分技术可使电机运行具有平稳性。 由于应急放油阀的驱动力 不 大， 所以采用直线直流步进电 动机正好避开步进电 机出力小的缺点， 充分 利用 了步进电机易于加工，步进运动无需直线位移传感器便可进行精确控制的特点。 直线步进电机按其电磁推力产生的原理上可以分为变磁阻式和混合式两种 形式。 其中变磁阻式直线步进电 机原理直观， 结构简单。由于无稀土永磁体， 加 工工艺也简单， 在控制方面， 仅需单极性驱动电源， 因此控制电路简单， 总成本 低， 可靠性高，由于电 机始终处于开关运行状态， 其耗电省， 发热少。 但该种电 机不宜微步控制，推力仅靠磁路不对称提供，数值偏小，力矩波动大。 混 合式 直线 直流 步 进电 机 ( h y b r i d d c l i n e a r s t e p p i n g m o t o r ， 以 下 简 称 h d c l s m ) 虽然结构要复杂些， 特别是在加入稀土永磁材料以后， 给电 机的加工带 来较大的困难， 但该类电机推力大， 易实现微步控制， 细分电路简单， 在位置精 度和分辨率要求较高的场合具有很大的优点。 5 )比 较分析 根据本项目的技术要求， 综合以上直流直线电 动机的几种方案， 本项目 最好 采用混合式两相直线步进电动机 ( h d c l s m ) ，其原由 如下: a )混合式直线步进电动机具有行程长、定位精度高的特点，系统无须直线 位移传感器，即可达到定位目 标; b ) 混合式直线步进电 动机不但直流供电，而且系统电 路简单，可开环控制 也可闭环控制; c ) 混合式直线步进电动机加工工艺简单，电机的引出线少， 系统可靠性高; d ) 混合式直线步进电 动机控制系统对控制参数不敏感，其控制一致性好; e )混合式直线步进电动机可采用细分控制技术， 从而实现控制系统的高平 稳性和推力波动的减小。 西北工业大学硕士学位论 文 第一章 绪论 1 . 2课题研究内容 1 . 2 . ， 课题来源 本课题来源于航空“ 十五” 支撑基金项目 新型航空用直线直流电动机驱 动控制系统。目 前军机的应急放油阀通常使用传统的直流电动机驱动， 即有刷直 流电动机与蜗轮蜗杆机构， 或者旋转丝杠结构。 这种结构体制势必导致直线运动 机构的体积庞大而笨重， 其自 动关闭可靠性和维修性差、 灵敏度也不高， 因而满 足不了当前高技术军事的需要。 为了替代军机上现有的应急放油阀驱动电 机， 进一步提高军用飞机的战术与 战斗能力， 迫切要求在“ 十 五” 期间， 研制出 具有可靠性高、 维修性好、 体积 小、 重量轻的新型航空用直线直流电动机， 而且该驱动电机必须具有高精度、 高 频响、高灵敏度，才能满足新型战机的装备需要。 1 . 2 . 2研究内容和关键技术 该应急放油阀用航空直线直流电 动机的主要研究内容如下: 1 ) 电动机的选型、工作机理及理论计算研究; 2 ) 电动机的工程样机设计、加工、制造以及装配技术; 3 )减小推力波动的平稳性运行技术; 4 )行程末端冲击和噪声消除技术; 5 )样机的测试技术、实验方法研究: 6 )系统可靠性技术探索。 作为高度机电一体化的 航空直线直流电 动机， 在航空工业领域是首次应用型 研究， 该课题本着航空的具体要求和特点， 对其关 键技术必须进行深入细致地研 究。 系统的可靠性、 精度、 频响、 灵敏度、 体积与重量等将是本电 机性能 好坏的 直接反映。 本课题的研究拟采用直流直线步进电动机， 针对直流直线步进电动机控制 器，研究的关键技术如下: 西北工业大学硕士学位论 文 第一章 绪论 1 . 2课题研究内容 1 . 2 . ， 课题来源 本课题来源于航空“ 十五” 支撑基金项目 新型航空用直线直流电动机驱 动控制系统。目 前军机的应急放油阀通常使用传统的直流电动机驱动， 即有刷直 流电动机与蜗轮蜗杆机构， 或者旋转丝杠结构。 这种结构体制势必导致直线运动 机构的体积庞大而笨重， 其自 动关闭可靠性和维修性差、 灵敏度也不高， 因而满 足不了当前高技术军事的需要。 为了替代军机上现有的应急放油阀驱动电 机， 进一步提高军用飞机的战术与 战斗能力， 迫切要求在“ 十 五” 期间， 研制出 具有可靠性高、 维修性好、 体积 小、 重量轻的新型航空用直线直流电动机， 而且该驱动电机必须具有高精度、 高 频响、高灵敏度，才能满足新型战机的装备需要。 1 . 2 . 2研究内容和关键技术 该应急放油阀用航空直线直流电 动机的主要研究内容如下: 1 ) 电动机的选型、工作机理及理论计算研究; 2 ) 电动机的工程样机设计、加工、制造以及装配技术; 3 )减小推力波动的平稳性运行技术; 4 )行程末端冲击和噪声消除技术; 5 )样机的测试技术、实验方法研究: 6 )系统可靠性技术探索。 作为高度机电一体化的 航空直线直流电 动机， 在航空工业领域是首次应用型 研究， 该课题本着航空的具体要求和特点， 对其关 键技术必须进行深入细致地研 究。 系统的可靠性、 精度、 频响、 灵敏度、 体积与重量等将是本电 机性能 好坏的 直接反映。 本课题的研究拟采用直流直线步进电动机， 针对直流直线步进电动机控制 器，研究的关键技术如下: 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 电机工作原理、控制方法与理论计算; 电机控制电路精确设计技术; 系统平稳性细分控制和p w m 恒流控制策略; 行程末端冲击和噪声的消除技术。 、jr、jl，jji矛 ，.0白qj左占 1 . 2 . 3技术指标 由于研制的直线电 机是用于替代目 前军机的应急放油阀驱动电机， 基于其使 用场合的特殊性， 所以对该驱动电机有一些特殊要求， 比如前面提到的: 体积小、 重量轻、 维修性好、可靠性高等，其具体技术指标如下: 额定电压:2 8 v d c 额定电流:-1 . 5 a 输出 推力:3- 6 5 0 g 行程:1 4 . 5 + 1 . 5 m m 速度:分1 1 . 3 3 m m / s 电 机重量:-1 . z k g 工作制式:长期 控制器设计有以下要求: 1 )调频调速、细分运行，电流调节等功能; 2 )抑制行程末端的冲击问 题: 3 )过压、 过流、欠压等保护功能: 4 )可以安全、稳定、可靠的长期运行。 1 . 3主要研究工作 1 . 3 . 1系统硬件电 路的设计与制作 在硬件设计方面， 完成系统方案设计的论证和系统硬件控制电路的设计， 并 进行系统基本功能的调试工作，主要工作包括: 1 )方案论证:根据系统性能指标要求，确定系统的控制方案; 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 电机工作原理、控制方法与理论计算; 电机控制电路精确设计技术; 系统平稳性细分控制和p w m 恒流控制策略; 行程末端冲击和噪声的消除技术。 、jr、jl，jji矛 ，.0白qj左占 1 . 2 . 3技术指标 由于研制的直线电 机是用于替代目 前军机的应急放油阀驱动电机， 基于其使 用场合的特殊性， 所以对该驱动电机有一些特殊要求， 比如前面提到的: 体积小、 重量轻、 维修性好、可靠性高等，其具体技术指标如下: 额定电压:2 8 v d c 额定电流:-1 . 5 a 输出 推力:3- 6 5 0 g 行程:1 4 . 5 + 1 . 5 m m 速度:分1 1 . 3 3 m m / s 电 机重量:-1 . z k g 工作制式:长期 控制器设计有以下要求: 1 )调频调速、细分运行，电流调节等功能; 2 )抑制行程末端的冲击问 题: 3 )过压、 过流、欠压等保护功能: 4 )可以安全、稳定、可靠的长期运行。 1 . 3主要研究工作 1 . 3 . 1系统硬件电 路的设计与制作 在硬件设计方面， 完成系统方案设计的论证和系统硬件控制电路的设计， 并 进行系统基本功能的调试工作，主要工作包括: 1 )方案论证:根据系统性能指标要求，确定系统的控制方案; 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪论 电机工作原理、控制方法与理论计算; 电机控制电路精确设计技术; 系统平稳性细分控制和p w m 恒流控制策略; 行程末端冲击和噪声的消除技术。 、jr、jl，jji矛 ，.0白qj左占 1 . 2 . 3技术指标 由于研制的直线电 机是用于替代目 前军机的应急放油阀驱动电机， 基于其使 用场合的特殊性， 所以对该驱动电机有一些特殊要求， 比如前面提到的: 体积小、 重量轻、 维修性好、可靠性高等，其具体技术指标如下: 额定电压:2 8 v d c 额定电流:- i 曲线可得到i mo 曲 线，如图3 . 8( 。 ) 所示。由图3 . 8( 。 )可知，为 实现均匀细分，在上升沿绕组电流1 应随9 的递增按照如图曲线呈非线性阶梯增 长。同理在下降沿绕组电流i 呈非线性阶梯减少。 ( a ) t- b曲线( b ) 图3 .8t峥 夕曲线， 中的i 一b t- i曲线 ta i曲线 ， 胜 一一二净 “ 。三 2 ( c ) 1- b曲线 i叶 b曲线图 .尔 刀。斗。-2 进一步分析图3 . 8 ( c )曲线，将其近似为线性分量和正弦分量的 叠加: ( 3 - 2 3) 式中k , , k , 是比 例系 数。 k ， 体现电 流随。 而 变化的 快慢;k : 体 现正 弦 分 量 与 线 性分 量之 间 的比 例 关 系。 由于线性加正弦规律最接近电 机的非线性， 因而可以实现步进电 机的均匀细 分。 同 时 这种规律便于计算 和调整。 对不同电 机， 通过调整k 2 的 大小， 从 而调 西北t业大学硕士学位论文第三章 直线步进电动机驱动控制技术 整线性分量与正弦分量之间的比例，通用性好。 二、恒转矩电流控制策略 为了使步进电机细分驱动后力矩恒定而微步距均匀， 近年来又提出子m a 转矩 均匀细分的相电流控制策略。 目前较流行的软件细分，每拍只对一相电流进行细分。以3 相6 拍电机为例， 当 a 相通电 到a b 相通电时， b 相电 流不从零突然增加到额定值i， 而是根据细分 的 要 求， 逐渐增加b 相电 流， a 相电 流为 额定 值i , . 其 过程为: : 一 i/ n ( n 为细分数) ( 3 - 2 4 ) i j o=几( t 一 1 ) + s ( 3 - 2 5 ) 其中s 为步距细分后， 每走一步 所增 加的电 流值，i h ( t ) 为第t 时 刻 b 相通电电 流 大小。图3 .9 ( a )为转矩不恒定电流分解矢量图。 ( a ) 转矩不恒定细分原理图( b ) 转矩恒定细分原理图 图 3 . 9二相步进电机细分电 流矢量图 它的缺点是由于只有一相电流变化， 合成电流大小不断变化。 由于一般认为 转矩近似正比于电 流，所以合成转矩大小也不断变化。因而在电机运行过程中， 受力不均匀， 仍会出现振荡，甚至失步。 恒转矩均匀细分控制就是通过合理控制步进电 机的 相电 流， 使电 机内 部的 合成磁场在空间作幅值恒定的均匀旋转运动。 原则是每拍对两相电 流同时进行细 分， 使每一瞬间电 机的合成电 流大小恒定， 使电 机电 磁转矩大小恒定， 大幅度提 高步进运行平稳性， 减少失步等。 以1 0 细分为例， 其矢量细分原理图如图 3 .9 ( b ) . 西北工业大学硕士学位论文第三章 直线步进电动机驱动控制技术 图 3 .9 ( b ) 每 一 瞬 间 合 成 电 流 的 大 小 恒 定 ， 合 成 电 流 芝i 二 i u + i , ， 所 以 总 磁 势 f = n x 艺i 大 小 恒 定 ， 当 步 距 一 定 时 ， 电 机 转 矩 m 近 似 正 比 于 电 流 ， 即 m = k x 丫 1 。 所 以 合 成 电 流 y i 恒 定 ， 转 矩 m 也 恒 定 ， 又 m = j 塑 = j x a , 一d t 所以 转子加速度。 也恒定，根据动能定理， 在前进一微步距q 时，转子动能 e = 生 j o) , = m x 刀 ， 由 于 细 分 后 微 步 距 刀 很 小 ， 转 子 到 达 每 一 新 稳 定 平 衡 点 的 2 时间短，步进过程平稳通畅，因而动量小， 动能也小， 振荡减少14 5 1 3 . 2 . 3直线步进电机细分驱动的电路实现 为了 对直线步进电 机的相电流进行控制， 从而达到细分的目 的。 人们设计了 很多细分控制电路。 最初， 对电机相电 流的控制是由硬件来实现的。 每一相绕组 的相电流用n 个晶体管构成n 个并联回路来控制， 靠晶体管导通数的组合来控制 相电流。 这种细分驱动电路线路复杂， 体积大， 成本高， 而且电路一旦制造出来 就难以改变其细分数，缺乏柔性，因此在实际应用中已很少采用这种方法。 随着微型机算计的发展， 特别是单片机的出现， 为直线步进电机的细分控制 带来了 便利。目 前步进电 机大多采用单片机细分控制。 构成框图如图3 . 1 0 所示。 单片机根据要求的步距计算出各相绕组通过的电流值， 并输出到数模转换器 ( d / a) 中，由d / a把数字量转化为相应的模拟电压， 经过环形分配器加到各相 的功放电路上，控制功放电路给各相绕组通以相应的电流，来实现细分。 图3 . 1 0单片机控制的细分驱动电路原理框图 单片机控制的 直线步进电 机细分驱动电 路根据末级功放管的工作状态可分 为放大型和开关型两种。 放大型步进电 机细分驱动电路中末级功放管的输出电 流 西北工业大学硕士学位论文第三章 直线步进电动机驱动控制技术 图 3 .9 ( b ) 每 一 瞬 间 合 成 电 流 的 大 小 恒 定 ， 合 成 电 流 芝i 二 i u + i , ， 所 以 总 磁 势 f = n x 艺i 大 小 恒 定 ， 当 步 距 一 定 时 ， 电 机 转 矩 m 近 似 正 比 于 电 流 ， 即 m = k x 丫 1 。 所 以 合 成 电 流 y i 恒 定 ， 转 矩 m 也 恒 定 ， 又 m = j 塑 = j x a , 一d t 所以 转子加速度。 也恒定，根据动能定理， 在前进一微步距q 时，转子动能 e = 生 j o) , = m x 刀 ， 由 于 细 分 后 微 步 距 刀 很 小 ， 转 子 到 达 每 一 新 稳 定 平 衡 点 的 2 时间短，步进过程平稳通畅，因而动量小， 动能也小， 振荡减少14 5 1 3 . 2 . 3直线步进电机细分驱动的电路实现 为了 对直线步进电 机的相电流进行控制， 从而达到细分的目 的。 人们设计了 很多细分控制电路。 最初， 对电机相电 流的控制是由硬件来实现的。 每一相绕组 的相电流用n 个晶体管构成n 个并联回路来控制， 靠晶体管导通数的组合来控制 相电流。 这种细分驱动电路线路复杂， 体积大， 成本高， 而且电路一旦制造出来 就难以改变其细分数，缺乏柔性，因此在实际应用中已很少采用这种方法。 随着微型机算计的发展， 特别是单片机的出现， 为直线步进电机的细分控制 带来了 便利。目 前步进电 机大多采用单片机细分控制。 构成框图如图3 . 1 0 所示。 单片机根据要求的步距计算出各相绕组通过的电流值， 并输出到数模转换器 ( d / a) 中，由d / a把数字量转化为相应的模拟电压， 经过环形分配器加到各相 的功放电路上，控制功放电路给各相绕