卫星用步进电机性能一致性分析及控制策略研究.docx

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1、摘要：对卫星用步进电机工作原理和结构特点进行了阐述。以某步进电机模型为基础，分析不同材料性能差异、加工尺寸偏差对步进电机性能一致性的影响，并提出对应控制策略。按控制策略执行并对比无控制策略电机性能偏差，验证了一致性控制方案的可行性。关键词：步进电机；性能一致性分析；偏差控制O引言随着卫星数据通信业务需求的不断增长，单颗卫星工作模式已难以满足使用需求，因此，多颗卫星互联网已成为通信服务未来发展的趋势。随着我国航天事业迅速发展，国产卫星组网也在高速实施。步进电机是卫星运动机构执行单元应用最为广泛的电机类型，其将电能转换为机械能,相比传统电机具有动态响应快、控制简单、易于启停和反转、定位自锁、无累积

2、运行误差、可靠性高等优点，广泛应用于卫星天线、转台、光学仪器等分系统。空间卫星的高速发展，对步进电机的需求潜力是巨大的。步进电机的研制必须适应空间卫星的发展，需适应小批量的研发路线，为此,需对空间卫星用步进电机的性能一致性进行研究分析，保证在研制过程中实现性能参数超差可控。1混合式步进电机工作原理步进电机一般分为反应式、永磁式和混合式，混合式步进电机结合了永磁式和反应式的优点，步距角小，定位精度高，同时噪声小，是卫星环境常用的一种类型。混合式步进电机的运行原理是通过定子磁极与转子进行能量转换，是转子步进式旋转。一般混合式步进电机定子含偶数个大齿，转子上位于永磁体两侧的磁极分别显现N和S极，同时

3、两块磁极上开有小齿且相互交错半个齿距。当电机一相通电时，某个定子齿呈N极，则对一侧磁极排斥，另一侧磁极吸引，两者合力将转子拉向左运行一步，如图1所示，当电机另一相通电时，其他定子齿同样会驱动转子运行一步。根据供电方式不同，电机步进角度也不同，运行4拍转过一个齿距角，这样的运行模式叫做整步模式，要是将单相供电和两相供电方式合并起来作为一个整体，这样便又形成了新的供电模式，一般称为半步方式，两相电机半步供电方式为：A-AB-B-AB-A-AB-B-ABoiI/111图1电机原理分析模型2步进电机结构设计步进电机基本结构与大多数无刷电机类似，均由定子、转子两部分构成，但由于步进电机运行原理较为特殊，

4、电磁结构和其他电机有着较大差异。1.1 定子设计定子主要包括绕组和铁芯，槽绝缘及安装线，随着步进电机加工方法不断进步，同时为适应短周期研制的需求，在空间卫星的使用场景下多数采用半自动绕线技术，槽绝缘为非金属骨架或者耐辐照绝缘纸等可自成型的材料，可大幅降低人力消耗和时间成本。定子铁芯为导磁结构，步进电机气隙小，因此在定子铁芯中磁密度较高，通常采用一些具备高导磁性能的材料如软磁合金IJ22、电工钢带叠片等。1.2 转子设计转子主要由金属轴、磁极和永磁体构成，通常转子磁极数为2,永磁体数量为1,为了追求更大的力矩输出性能也可调整为4,对应的永磁体数量为2。转子磁极带有小齿，根据实际使用步距角精度需求

5、可做调整。步距角Bb还与电机输入脉冲电信号的导通方式有关。仇=360ZRN式中：ZR为转子齿数；/V为电机通电拍数。如电机转子齿数为50,通电方式为两相四拍，则该电机步距角为1.8。由此可知，为了提高运行分辨率，减小步距角，可增加通电拍数和增大转子齿数。转子磁极材料同样需要满足高磁饱和性能，因此可采用软磁合金或电工纯铁DT4等材料。3性能一致性分析依据常规空间环境需求及结构设计原则，参考空间卫星产品J45系列步进电机，建立理论设计模型，主要设计参数如表1所示。表1空间卫星用步进电机理论设计参数项目设计值项目设计值电机相数2线圈匝数81绕组类型双极性永磁体数1控制方式恒流供电电压/V15步距角/

6、()1.8电机外径/nIIn45额定相电流/A0.8气隙长度/nun0.05大极数8定子小齿数5转子磁极数2转子小齿数50永磁体材料彩钻系列转子磁极DT4定子磁极材料电工钢带结构件金属2Crl3通过ANSYS工具软件对模型进行保持力矩仿真测算，幅值约为0.278Nm,如图2所示。ENE”坦堤划W图2电机保持力矩曲线通常在电磁设计时，为了简化设计分析，将参数设定为定值进行仿真计算，这是一种理论值状态的设计方案。实际上由于机械加工尺寸存在一定范围的偏差,软磁材料性能也同样存在波动，电机的性能一致性得不到较好的保障。以保持力矩作为指标参考，分析不同情况下尺寸和材料性能偏差对电机输出一致性的影响,同时

7、给出对应控制策略。该电机模型中气隙理论值为005mm(单边)，取气隙偏差范围0.0350.065mm进行保持力矩输出计算，结果如表2和图3所示。根据计算结果来看，由于步进电机气隙设计值通常较小，气隙尺寸偏差对性能影响显著，因此对步进电机气隙的控制极其重要。表2不同气隙保持力矩偏差ulNEa琳若品-30000oogp0Q26mr9p-,0006wrgpOOTSflMT-9W00lmW9p012SMB-Op00l6m*OMvelnto9p-001faM*-9P-0OIKflMia93Q0119P-0OOTSMm9P-0006mi(flp-00GmmXH8E300002000010000000-10

8、000-20000然黑g三S必然然g1500气隙长度11n力矩范围/(nNB)均值nNin理论偏差0.035-288.253333.782311.0211.85%0.0375-290.350293.100291.734.91%0.04-285.093292.256288.673.81%0.0425-282.520-288.623285.572.70%0.045-287.948-287.117287.533.40%0.0475-279.354279.108279.230.42%0.05-275.432280.704278.070.00%0.0525-272.340277.952275.15-1.

9、05%0.055-270.940274.788272.86-1.87%0.0575-266.346274.051270.20-2.83%0.06-266.750270.662268.71-3.37%0.0625-258.465265.463261.96-5.79%0.065-251.572262.528257.05-7.56%XYPKX140000图3不同气隙保持力矩曲线与理论保持力矩值对比，在气隙尺寸位于上差范围时偏差值较小，气隙尺寸可通过对电机定子内孔及转子外径尺寸进行限定，以此达到控制气隙尺寸范围的目的。考虑到实际加工工艺难度及设计余量，对步进电机气隙应采取范围控制于0.05-0.057

10、5mm的措施，最大不一致偏差为2.83%。该电机模型中转子理论偏心为Omm,该影响因素主要取决于加工精度和装配精度，根据电机尺寸取偏心量为。0.02mm进行保持力矩输出计算，结果如表3和图4所示，根据结果来看，电机转子偏心对电机输出性能影响较小。表3不同转子偏心量保持力矩偏差30000偏心量/nun力矩范围/(mNm)均值/(InNin)理论偏差0-275.432280.704278.070.00%0.002-273.939284.329279.130.38%0.004-278.216278.574278.400.12%0.006-277.210-279.013278.110.02%0.008

11、-275.889281.968278.930.31%0.01-278.831281.123279.980.69%0.012-275.806278.953277.38-0.25%0.014-279.865280.426280.150.75%0.016-269.720281.072275.40-0.96%0.018-267.359281.480274.42-1.31%0.02-272.528268.838270.68-2.66%XYPlOt1OP1.PX.20000二10000-000-10000二CurveInfomaxmtnm5m28070402754320myjx-0002mm2843290

12、.2739390myjx-004x-006xO01fnm,2811230-278.8310myjjx-X)012mm27895302758060myjx-0014x-X016mm2S107202697200myjxO018mm28140-2673690mypx-002mm26883.272S280Time($)-20000-1500图4不同偏心量保持力矩曲线转子偏心情况可通过对装配零件同轴度的限定来调整，鉴于该因素对电机输出性能影响较小，同时步进电机定子内孔同轴度难以精确保证，因此对步进电机转子偏心情况采取控制定子装配同轴度为0.01mm,转子磁极装配同轴度为O.OO5mm的措施，电机单边偏心

13、量在。0.0075mm范围内，最大不一致偏差不大于0.31%o3.1 定子齿宽偏差影响及控制策略该设计模型定子齿宽为0.55mm,定子采用叠片方式加工，尺寸受到定位精度及冲压（电切割）精度影响，取0.50.6mm范围进行分析，结果如表4和图5所示。通过齿宽对性能偏差的影响可以看出，实际尺寸位于上差或下差对电机性能影响差别不大。表4不同定子齿宽保持力矩偏差*30000oo200001000000010000-200001500定子齿宽1三力矩范围/(mNin)均值/(Nin)理论偏差0.5-254.396-264.973259.68-6.61%0.51-259.826-267.372263.60

14、-5.20%0.52-266.421-276.946271.68-2.30%0.53-268.048276.532272.29-2.08%0.54-265.583-277.736271.66-2.30%0.55-275.432-280.704278.070.00%0.56-283.136-284.168283.652.01%0.57-286.069284.640285.352.62%0.58-293.534288.406290.974.64%0.59-293.296-285.887289.594.14%0.6-294.944-286.376290.664.53%XYPtoM图5不同定子齿宽保持力