蔣范明，屈傳坤，周建華

(1．上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109；2．上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

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宇航雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電流機(jī)理及措施研究

蔣范明1,2，屈傳坤2，周建華2

(1．上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109；2．上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

針對(duì)宇航雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)線路主份工作時(shí)，在備份線路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的異?，F(xiàn)象，從雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)型、驅(qū)動(dòng)線路設(shè)計(jì)方面分析了備份感應(yīng)電流產(chǎn)生的機(jī)理，并提出抑制感應(yīng)電流的隔離設(shè)計(jì)措施，為相關(guān)的航宇型號(hào)驅(qū)動(dòng)控制產(chǎn)品研制提供參考。

宇航；主備繞組；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；感應(yīng)電流

0 引 言

宇航運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為力矩執(zhí)行單元，以利用其開環(huán)控制、無(wú)累計(jì)誤差、斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，為了保證運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)線路的可靠性,滿足相應(yīng)航天規(guī)范，避免出現(xiàn)單點(diǎn)故障模式，空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通常采用雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，配合主、備驅(qū)動(dòng)線路[1]。針對(duì)型號(hào)研制過程中出現(xiàn)的備繞組及驅(qū)動(dòng)線路感應(yīng)電流，使主份線路工作時(shí)電流異常增大，進(jìn)而影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的問題，分析了引起感應(yīng)電流的機(jī)理，并提出了抑制感應(yīng)電流的設(shè)計(jì)措施，為后續(xù)工程研制提供參考。

1 雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線路工作原理

宇航運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如太陽(yáng)電池陣的對(duì)日定向控制、星載雷達(dá)天線的指向控制，多采用雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行單元，主、備電機(jī)繞組及驅(qū)動(dòng)線路互為冷備份，以提高產(chǎn)品可靠性[2]。通常情況下，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在軌后進(jìn)入主份工作模式，當(dāng)主份出現(xiàn)工作異常時(shí)，通過地面遙控進(jìn)行切備份，工作原理如圖1所示。

混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上看，它的定轉(zhuǎn)子上開有很多齒槽，類似于反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；磁路內(nèi)含有永久磁鋼，類似于永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。宇航混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多采用兩相結(jié)構(gòu)，既可簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，又可減少電機(jī)功率線的重量。雙繞組混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)如圖2所示，電機(jī)定子鐵心上均勻分布幾個(gè)大極，每大極上有若干小齒，鐵心槽內(nèi)嵌有主、備繞組；轉(zhuǎn)子鐵心外圓均勻分布若干小齒，磁鋼為軸向充磁，磁鋼兩端的兩段轉(zhuǎn)子鐵心相互錯(cuò)開半個(gè)齒距。當(dāng)定子上各相繞組按一定規(guī)律通以驅(qū)動(dòng)脈沖電流時(shí)，就會(huì)在氣隙中產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子繞組產(chǎn)生的脈振磁場(chǎng)疊加，形成旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子按脈沖規(guī)律一步一步的轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。

圖1 航天型號(hào)主備份切換原理

圖2 雙繞組混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 主備繞組感應(yīng)電流機(jī)理分析

為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的目的，目前宇航運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線路設(shè)計(jì)中廣泛采用開關(guān)型細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案，開關(guān)型電路由于末級(jí)MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)，相比早期基于達(dá)林頓管的放大型細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，能大大降低驅(qū)動(dòng)線路的熱耗。本文以常用的IR2110+MOSFET驅(qū)動(dòng)電路為例進(jìn)行分析。

對(duì)于雙繞組混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)線路，正常工作時(shí)，主份線路工作，備份線路不加電。當(dāng)主份線路工作時(shí)，備份繞組定子線圈中的磁鏈?zhǔn)侵骼@組對(duì)它的互感磁鏈以及轉(zhuǎn)子永磁磁通對(duì)它的產(chǎn)生的磁鏈之和。由于雙繞組電機(jī)生產(chǎn)工藝中主備線圈纏繞在同一定子鐵心上，因此主繞組的漏磁通很小，即主繞組對(duì)備繞組的互感磁通近似等于主繞組產(chǎn)生的自感磁通，如圖3所示。

圖3 雙繞組混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)示意圖

宇航運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)線路通常采用冷冗余的形式，正常工作時(shí)，主份驅(qū)動(dòng)線路及主電機(jī)繞組工作，備份不參加工作。當(dāng)主繞組A相通電時(shí)，在備繞組A相中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的存在，與H橋MOS管自有的體二極管形成續(xù)流回路,如圖4所示，造成備份供電及驅(qū)動(dòng)線路上產(chǎn)生殘余電壓，產(chǎn)生類似于備份線路供電的現(xiàn)象。此工作狀態(tài)下，對(duì)主驅(qū)動(dòng)線路而言,備繞組成為發(fā)電機(jī)并帶有負(fù)載(備份驅(qū)動(dòng)線路)，因此驅(qū)動(dòng)單機(jī)工作電流增大，電機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)力矩下降。

在實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)某宇航型號(hào)雙繞組混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(帶機(jī)構(gòu)負(fù)載)及其驅(qū)動(dòng)線路進(jìn)行實(shí)測(cè)，現(xiàn)象如下：

a) 當(dāng)主、備份驅(qū)動(dòng)板同時(shí)安裝在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，通過主份驅(qū)動(dòng)線路控制電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 r/s時(shí)，系統(tǒng)工作電流約為2 A；拔掉備份驅(qū)動(dòng)板，同樣轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)工作電流降為1 A左右。

圖4 感應(yīng)電流回路

b) 當(dāng)主、備份驅(qū)動(dòng)板同時(shí)安裝在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，通過主份驅(qū)動(dòng)線路控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? (°)/s增加到200 (°)/s時(shí)，電機(jī)備份繞組感應(yīng)電流隨著速度的增加從160 mA增大到500 mA。

可見，主份驅(qū)動(dòng)線路及其繞組工作狀態(tài)下，備份電機(jī)繞組及其驅(qū)動(dòng)線路中構(gòu)成了感應(yīng)電流回路，且感應(yīng)電流大小與主動(dòng)驅(qū)動(dòng)線路的電機(jī)轉(zhuǎn)速成一定正比關(guān)系。

3 感應(yīng)電流抑制措施研究

雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主、備繞組感應(yīng)電流產(chǎn)生的機(jī)理是由于主電機(jī)繞組工作時(shí)，在備繞組中產(chǎn)生的互感磁鏈引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于備繞組內(nèi)部的潛通路，在備電機(jī)繞組及其驅(qū)動(dòng)線路中形成感應(yīng)電流。此時(shí)相當(dāng)于備電機(jī)繞組處于發(fā)電機(jī)的工作模式，成為主繞組的負(fù)載，最終導(dǎo)致系統(tǒng)工作電流異常增大。

主繞組工作時(shí)，對(duì)備繞組的潛在通路進(jìn)行隔離，是消除雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主、備繞組感應(yīng)電流現(xiàn)象的主要原則，具體措施包含如下兩種。

1) 措施一：采用磁保持繼電器對(duì)電機(jī)繞組進(jìn)行隔離，即主繞組工作時(shí)，通過繼電器切斷備繞組與其驅(qū)動(dòng)線路之間的通路。電路示意如圖5所示。

圖5 磁保持繼電器隔離示意

此方法能從物理上對(duì)潛在通路進(jìn)行隔斷，但需要額外增加2個(gè)繼電器及相應(yīng)外圍電路，且從宇航型號(hào)FMEA(故障模式影響分析)角度[4]，在電機(jī)控制系統(tǒng)中增加了繼電器單點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)時(shí)謹(jǐn)慎使用。

2)措施二：在電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路功率電源端串入隔離二極管，確保主繞組工作時(shí)，備繞組的潛在通路被二極管隔斷。電路示意如圖6所示。

圖6 二極管隔離示意圖

此方法相比方法一更為簡(jiǎn)單，宇航型號(hào)中為了防止故障蔓延，確?？煽啃裕瑢?duì)隔離二極管的選型需要注意以下兩點(diǎn)：

a) 由于主、備繞組功率供電端都串入隔離二極管，二極管的功率及正向電流需要降額設(shè)計(jì)；同時(shí)，流經(jīng)二極管的驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的熱屬于對(duì)二極管破壞性最強(qiáng)的應(yīng)力，因此二極管的熱設(shè)計(jì)需要謹(jǐn)慎處理。

b) 主繞組工作時(shí)，在備繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增加而增大，因此二極管的反向耐壓值需結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行選型考慮。

實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)某款宇航級(jí)雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)線路進(jìn)行測(cè)試，電機(jī)軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為700 (°)/s，分別測(cè)試加隔離措施(二極管隔離)和未加隔離措施的工況下系統(tǒng)工作電流，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 感應(yīng)電流驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

4 結(jié) 語(yǔ)

為了防止單點(diǎn)故障，宇航運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通常采用雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元。對(duì)于雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其主、備驅(qū)動(dòng)線路，其中，主份工作時(shí)，電機(jī)主繞組定子鐵心上磁場(chǎng)在備電機(jī)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過備驅(qū)動(dòng)線路中的潛在通路，形成感應(yīng)電流。感應(yīng)電流回路的存在使備電機(jī)繞組處于發(fā)電機(jī)的工作模式，成為主繞組的負(fù)載，最終導(dǎo)致系統(tǒng)工作電流異常增大，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。通過上述機(jī)理分析，提出磁保持繼電器或隔離二極管對(duì)主、備繞組的潛在通路進(jìn)行隔離的措施，可以消除雙繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主、備繞組感應(yīng)電流現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)室中，通過對(duì)加二極管隔離措施前后電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了感應(yīng)電流機(jī)理分析的正確性及抑制措施的有效性。

[1] 張洪巖，李雨．軸向分相混合式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自定位力矩設(shè)計(jì)[J]．微特電機(jī)，2012，40(1):22-23.

[2] 馮智海．航空航天用稀土永磁直流電機(jī)可靠性研究[D]．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005:16-24.

[3] 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，1997:11-15.

[4] 康銳，石榮德．FMECA技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006:22-37.

Theoretical Analysis and Improvement Design of Induced Current in Dual-Winding Stepper Motor for Aerospace Applications

JIANGFan-ming1,2，QUChuan-kun2，ZHOUJian-hua2

(1.Shanghai Key Laboratory of Spacecraft Mechanism，Shanghai 201109，China；2.Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai 201109，China )

Double winding stepper motor was used for aerospace applications. For the double winding stepper motor and it's corresponding drive circuit, induced current may appear in backup drive circuit when the main motor and it's drive circuit are running. The mechanism of induced current was analyzed and an improved design for the isolation of induced current was presented. This can provide reference for the related aerospace motor drive circuit design.

aerospace； dual-winding； stepper motor； induced current

2015-07-10

TM383.6

A

1004-7018(2016)01-0005-02

蔣范明(1983-)，博士，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制。