超聲電機在磁懸浮飛輪鎖緊裝置中的應用＊*

李曉牛，周盛強，姚志遠，蘆小龍

（1.南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京，210016）

（2.南京航空航天大學精密驅動技術國防重點學科實驗室 南京，210016）

引 言

磁懸浮飛輪是一種慣性執行器件，其控制精度和可靠性高，已應用到航天器姿態控制領域［1］。磁懸浮飛輪系統的轉子和定子為非接觸支撐，定子和轉子之間存在間隙。由于在衛星發射階段，飛輪系統要承受高加速度振動和沖擊，因此需要額外設置鎖緊裝置頂緊轉子以消除定、轉子之間的間隙［2］。目前，使用的磁懸浮飛輪鎖緊裝置的驅動源主要有火工品和電磁電機兩種。文獻［3］提出了基于形狀記憶合金驅動的鎖緊裝置。文獻［4］提出了基于自鎖原理的電磁鎖緊裝置?；鸸て夫寗拥逆i緊裝置［5］通常需要充氣系統實現重復鎖緊解鎖功能，不可避免地生成污染性氣體，且充氣系統結構復雜、可靠性較差、體積大。文獻［6］提出了一種基于步進電機驅動的鎖緊裝置，但電磁電機驅動輸出扭矩較小，不能直接帶動鎖緊機構，需增加多級減速傳動部件，使得鎖緊裝置體積和重量增大，鎖緊時間增加。隨著衛星和磁懸浮飛輪系統的進一步小型化，火工品和電磁電機做驅動源的鎖緊裝置已不能滿足要求。

超聲電機（ultrasonic motor，簡稱 USM）［7］具有結構緊湊、低速大轉矩、響應快和斷電自鎖等優點，是一種理想的驅動元件。筆者研制了一種超聲電機做驅動源的鎖緊裝置，并開展了超聲電機驅動的鎖緊裝置試驗研究，取得了良好效果，為磁懸浮飛輪的進一步小型化提供了可能。

1 鎖緊裝置的結構設計

1.1 驅動源的選擇

驅動源的選擇是鎖緊裝置設計的關鍵問題。由于其他驅動元件的限制，超聲電機被認為是鎖緊裝置理想的驅動源之一。超聲電機利用壓電陶瓷的逆壓電效應將電能轉換成超聲頻率范圍內的微幅振動，在定子和轉子之間施加一定的預壓力，通過定子和轉子之間的摩擦作用將振動轉換成轉子的旋轉運動進而驅動負載［8］。針對航天器對元器件重量和體積方面的要求，超聲電機具有結構緊湊、轉矩密度大、占用空間小、重量輕的優點，其低速大力矩可實現對傳動部件的簡化。由于其特殊的摩擦驅動［9］的原理，電機運動部件慣性小、響應快、能夠斷電自鎖且保持力矩大。超聲電機不產生電磁場，無需潤滑，適合在空間環境中應用。

根據鎖緊裝置設計要求［2］，筆者采用40型旋轉型行波超聲電機（traveling－wave rotary ultrasonic motor，簡稱TRUM），其結構和性能指標如圖1和表1所示。由表1可知，TRUM－40型超聲電機的額定扭矩為0.15N·m，堵轉扭矩為0.3N·m，滿足其要求的額定力矩0.1N·m，可帶動鎖緊裝置完成鎖緊功能。

表1 TRUM－40電機技術參數

1.2 鎖緊裝置的工作原理和結構

磁懸浮飛輪鎖緊裝置的工作原理是通過與電機輸出軸相連的蝸輪蝸桿減速放大力矩后，帶動鎖緊執行機構將飛輪轉子鎖住，實現保護飛輪的目的。

鎖緊裝置由超聲電機（驅動源）、傳動機構、鎖緊執行機構和支撐部件組成。傳動機構包括蝸輪蝸桿、蝸輪連桿、鋼絲繩和鎖叉。鎖緊執行部件為彈片，如圖2所示。完成鎖緊動作時，驅動控制系統控制超聲電機正轉，帶動蝸桿正向轉動。經過蝸輪蝸桿減速放大力矩后，蝸輪連桿被蝸輪通過鍵連接帶動正向轉動。隨著蝸輪連桿的正向轉動，鎖叉會相向擺動，帶動鋼絲繩收緊。張緊的鋼絲繩壓彎鎖緊執行部件彈片，進而抱緊飛輪實現鎖緊動作。

圖1 TRUM－40電機結構分解圖

圖2 鎖緊裝置結構圖

2 鎖緊裝置驅動控制系統設計

為實現超聲電機驅動的鎖緊裝置完成鎖緊和解鎖動作，設計了一套驅動控制系統。該驅動控制系統控制超聲電機運行，產生超聲電機激勵信號，監視機械結構的運行位置和接受上位機指令。

該驅動控制系統主要包括單片機、超聲電機驅動電路、限位開關、通信模塊和本地測試模塊，如圖3所示。驅動控制系統工作原理是：單片機接受衛星主控計算機指令，做出相應判斷，向超聲電機驅動電路發出控制信號；超聲電機驅動電路產生激勵壓電振子的兩相高頻正弦信號；同時限位開關監視鎖緊裝置運行位置，完成對鎖緊裝置鎖緊和解鎖動作的自動控制。

圖3 驅動控制系統原理圖

單片機選用了ATMEL公司89C52芯片。單片機接收外部信號，如通過RS232串行通信模塊接收衛星主控計算機指令，通過I／O口限位開關信號。根據接收到的信號做出相應的判斷，通過I／O口向超聲電機驅動電路發送相應正轉、反轉或剎車電平信號。限位開關選用霍尼韋爾公司的11HM1限位開關，其精度和可靠性高，可用于空間環境。限位開關用于鎖緊機構運動位置監測，監測是否鎖緊到位或解鎖到位。超聲電機驅動電路以CYPRESS公司可編程片上系統PsoC3芯片為核心，設計有孤極反饋電路和推挽驅動電路［10］。利用PsoC3芯片的脈寬調制（PWM）模塊產生兩相相差90°的方波信號。通過推挽驅動電路功率放大、升壓和匹配，產生兩相相差90°的高頻正弦激勵信號，實現對超聲電機的驅動。為提高超聲電機機械輸出特性的穩定，筆者利用孤級反饋電路實現對超聲電機最優工作點的跟蹤［11］。在實際運行中，衛星主控計算機通過RS－232通信接口實現對鎖緊裝置的遠程控制。為了便于地面調試，驅動控制系統還設置了本地運行模式，顯示運行狀態和進行手動控制。通過本地運行模式可手動設置鎖緊裝置的啟動、關閉、手動鎖緊、手動解鎖、急停和遠程－本地模式切換等。驅動控制系統的主程序設計流程圖如圖4所示。

圖4 驅動控制系統主程序流程圖

3 試驗研究

為了測試應用在鎖緊裝置中的超聲電機性能和鎖緊效果，筆者針對工作在特定工況下的超聲電機電學輸入參數和溫升進行測試，并對鎖緊裝置的鎖緊效果開展了試驗研究。

3.1 超聲電機電學輸入參數的測試

對應用在鎖緊裝置中的超聲電機相關電學輸入參數進行測試，測試系統框圖如圖5所示。超聲電機在鎖緊行程中直流輸入電壓為12V，直流輸入電流為0.64A，直流輸入功率為7.6W。在解鎖過程中，直流輸入電壓為12V，直流輸入電流為0.56A，直流輸入功率為6.7W。可見，超聲電機直流輸入功率和電流會隨負載的變化而變化。

圖5 超聲電機電學參量測試系統框圖

由于超聲電機是一個時變、非線性系統，因而其機械輸出特性不穩定，電學輸入參數有較大波動。筆者采用帶有孤極反饋的超聲電機驅動電路，能有效地穩定超聲電機輸入、輸出性能。圖6為超聲電機鎖緊過程中輸入電學參數隨時間的變化曲線。由圖6（a）可知，在整個鎖緊過程中交流激勵信號電壓有效值穩定在120～130V之間，相對波動較小。圖6（b）為鎖緊過程中交流激勵信號電流有效值隨時間的變化，電流有效值穩定在0.14A。圖6（c）為鎖緊過程中施加在壓電振子上的單相交流激勵信號有效功率隨時間變化的曲線。由于隨著鎖緊過程中負載的不斷增加、電機非線性因素和電機發熱量的累積，單相交流激勵信號有效功率呈上升趨勢。由圖6可知，超聲電機電學輸入信號相對穩定，可以有效激勵壓電振子，驗證了電機輸入特性的穩定性。

3.2 超聲電機溫升測試

超聲電機在運行中存在溫升現象［12］。造成超聲電機溫升的原因主要是定、轉子之間的摩擦驅動和壓電振子的機電損耗。超聲電機的溫升是影響電機高效穩定運行的重要因素。一方面溫升過高會使壓電陶瓷的材料性能惡化；另一方面隨著溫度的升高，電機的工作頻率會發生漂移，影響電機的穩定運行（輸出轉矩和轉速的波動）。通常超聲電機帶載下的溫升現象更加突出；因此，有必要對鎖緊過程中超聲電機溫升特性進行測試，測試系統如圖7所示。

超聲電機溫升測試試驗數據如圖8所示?？梢钥闯?，在空載時電機表面運行溫度不超過40°C，溫升值為10°C；超聲電機驅動鎖緊裝置運行時，運行溫度不超過34°C，溫升值為4°C。由于超聲電機與鎖緊裝置支撐部件接觸，改善了超聲電機的散熱條件。根據TRUM－40型超聲電機技術數據可知，該型電機表面允許上升溫度為55°C，在許用范圍內，符合航天設備對溫升限制的要求，滿足設計要求。

圖6 超聲電機電學輸入參數曲線

圖7 超聲電機溫升測試系統原理圖

圖8 超聲電機溫度上升隨時間變化曲線

3.3 鎖緊效果測試

由于鎖緊裝置作用在飛輪轉子上，鎖緊力不易直接測量。為了評估超聲電機驅動的鎖緊裝置的鎖緊效果，可在彈片根部附近粘貼應變片，測試彈片某一截面的應變，計算出鎖緊裝置沿半徑方向的鎖緊力。鎖緊效果試驗測試系統主要由YJ－451A1SZ靜態數字電阻應變儀、鎖緊裝置和直流電源組成。

鎖緊過程中距彈片端部L處截面應變隨時間變化的曲線如圖9所示。在前50s鋼絲繩未被張緊，無應變。隨著超聲電機帶動鎖叉拉緊鋼絲繩，彈片受壓，應變迅速增加。在接近鎖緊狀態時，彈片與飛輪接觸，進而抱緊飛輪，應變趨于一固定值。

圖9 彈片截面應變與鎖緊時間的曲線

將彈片簡化成一端固定支承，另一端自由的懸臂梁模型，計算沿徑向鎖緊力F，如圖10所示。在鋼絲繩拉緊、彈片未與飛輪接觸時，彈片受壓，鋼絲繩對彈片的壓力為P，即彈片載荷P。在鎖緊狀態，彈片與飛輪接觸，P即為作用于飛輪上的沿徑向鎖緊力F［13］。載荷P根據材料力學公式得到

其中：δ為應力；ε為應變片測試的應變值；M為彈片的彎矩；L為力臂；E為彈片材料的彈性模量；W 為抗彎曲截面系數。

對于矩形彈片截面

其中：b為彈片寬度；H為彈片厚度。

計算參數為W＝24mm3，E＝206GPa，L＝30mm。鎖緊裝置10個彈片3次測試結果的平均應變值為360×10－6。經式（2）得到鎖緊時彈片沿半徑方向鎖緊力F＝17.1N。通過電磁電機驅動的鎖緊裝置做對比，當彈片沿半徑方向，鎖緊力為15N時即可實現鎖緊，滿足設計要求。所設計10個彈片共可對飛輪施加沿半徑方向的鎖緊力為171N。

圖10 鎖緊效果測試原理示意圖

4 結束語

設計了超聲電機驅動的磁懸浮飛輪鎖緊裝置，具有重量輕、占用空間小，簡化了傳動部分設計的優點，實現了鎖緊裝置的鎖緊和解鎖，達到了保護飛輪的目的。針對超聲電機驅動控制的特點，設計了鎖緊裝置驅動控制系統，取得了良好的控制效果。進行了超聲電機驅動的鎖緊裝置試驗，對鎖緊過程中的超聲電機性能和鎖緊裝置的鎖緊效果進行測試。超聲電機電學輸入參數的試驗表明：超聲電機鎖緊和解鎖功率分別為7.6W和6.7W；電學輸入參數穩定。鎖緊過程中電機溫升為4°C，運行溫度不超過40°C，在許用范圍內。對鎖緊效果進行測試的結果表明，鎖緊裝置沿半徑方向鎖緊力為171N。超聲電機是鎖緊裝置理想的驅動源，為磁懸浮飛輪系統的進一步小型化提供了可能。

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