宇航雙繞組步進電動機感應電流機理及措施研究

蔣范明，屈傳坤，周建華

(1．上海市空間飛行器機構重點實驗室，上海 201109；2．上海宇航系統工程研究所，上海 201109)

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宇航雙繞組步進電動機感應電流機理及措施研究

蔣范明1,2，屈傳坤2，周建華2

(1．上海市空間飛行器機構重點實驗室，上海 201109；2．上海宇航系統工程研究所，上海 201109)

針對宇航雙繞組步進電動機及其驅動線路主份工作時，在備份線路中產生感應電流的異常現象，從雙繞組步進電動機構型、驅動線路設計方面分析了備份感應電流產生的機理，并提出抑制感應電流的隔離設計措施，為相關的航宇型號驅動控制產品研制提供參考。

宇航；主備繞組；步進電動機；感應電流

0 引 言

宇航運動機構多采用步進電動機作為力矩執行單元，以利用其開環控制、無累計誤差、斷電自鎖等優點。同時，為了保證運動機構及驅動線路的可靠性,滿足相應航天規范，避免出現單點故障模式，空間運動機構通常采用雙繞組步進電動機，配合主、備驅動線路[1]。針對型號研制過程中出現的備繞組及驅動線路感應電流，使主份線路工作時電流異常增大，進而影響機構運動穩定性的問題，分析了引起感應電流的機理，并提出了抑制感應電流的設計措施，為后續工程研制提供參考。

1 雙繞組步進電動機驅動線路工作原理

宇航運動機構，如太陽電池陣的對日定向控制、星載雷達天線的指向控制，多采用雙繞組步進電動機作為執行單元，主、備電機繞組及驅動線路互為冷備份，以提高產品可靠性[2]。通常情況下，運動機構在軌后進入主份工作模式，當主份出現工作異常時，通過地面遙控進行切備份，工作原理如圖1所示。

混合式步進電動機從結構上看，它的定轉子上開有很多齒槽，類似于反應式步進電動機；磁路內含有永久磁鋼，類似于永磁式步進電動機。宇航混合式步進電動機多采用兩相結構，既可簡化驅動電路，又可減少電機功率線的重量。雙繞組混合式步進電動機如圖2所示，電機定子鐵心上均勻分布幾個大極，每大極上有若干小齒，鐵心槽內嵌有主、備繞組；轉子鐵心外圓均勻分布若干小齒，磁鋼為軸向充磁，磁鋼兩端的兩段轉子鐵心相互錯開半個齒距。當定子上各相繞組按一定規律通以驅動脈沖電流時，就會在氣隙中產生脈振磁場。轉子磁鋼產生的磁場與定子繞組產生的脈振磁場疊加，形成旋轉的磁場并產生轉矩，從而驅動轉子按脈沖規律一步一步的轉動[3]。

圖1 航天型號主備份切換原理

圖2 雙繞組混合式步進電動機結構圖

2 主備繞組感應電流機理分析

為了實現步進電動機平穩運行的目的，目前宇航運動機構步進電動機驅動線路設計中廣泛采用開關型細分驅動方案，開關型電路由于末級MOS管工作在開關狀態，相比早期基于達林頓管的放大型細分驅動電路，能大大降低驅動線路的熱耗。本文以常用的IR2110+MOSFET驅動電路為例進行分析。

對于雙繞組混合式步進電動機及其驅動線路，正常工作時，主份線路工作，備份線路不加電。當主份線路工作時，備份繞組定子線圈中的磁鏈是主繞組對它的互感磁鏈以及轉子永磁磁通對它的產生的磁鏈之和。由于雙繞組電機生產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，即主繞組對備繞組的互感磁通近似等于主繞組產生的自感磁通，如圖3所示。

圖3 雙繞組混合式步進電動機感應電動勢示意圖

宇航運動機構步進電動機及其驅動線路通常采用冷冗余的形式，正常工作時，主份驅動線路及主電機繞組工作，備份不參加工作。當主繞組A相通電時，在備繞組A相中會產生感應電動勢。由于感應電動勢的存在，與H橋MOS管自有的體二極管形成續流回路,如圖4所示，造成備份供電及驅動線路上產生殘余電壓，產生類似于備份線路供電的現象。此工作狀態下，對主驅動線路而言,備繞組成為發電機并帶有負載(備份驅動線路)，因此驅動單機工作電流增大，電機輸出的驅動力矩下降。

在實驗室中，對某宇航型號雙繞組混合式步進電動機(帶機構負載)及其驅動線路進行實測，現象如下：

a) 當主、備份驅動板同時安裝在驅動器內，通過主份驅動線路控制電機轉速達到2 r/s時，系統工作電流約為2 A；拔掉備份驅動板，同樣轉速下，系統工作電流降為1 A左右。

圖4 感應電流回路

b) 當主、備份驅動板同時安裝在驅動器內，通過主份驅動線路控制電機轉速從1 (°)/s增加到200 (°)/s時，電機備份繞組感應電流隨著速度的增加從160 mA增大到500 mA。

可見，主份驅動線路及其繞組工作狀態下，備份電機繞組及其驅動線路中構成了感應電流回路，且感應電流大小與主動驅動線路的電機轉速成一定正比關系。

3 感應電流抑制措施研究

雙繞組步進電動機主、備繞組感應電流產生的機理是由于主電機繞組工作時，在備繞組中產生的互感磁鏈引起感應電動勢，由于備繞組內部的潛通路，在備電機繞組及其驅動線路中形成感應電流。此時相當于備電機繞組處于發電機的工作模式，成為主繞組的負載，最終導致系統工作電流異常增大。

主繞組工作時，對備繞組的潛在通路進行隔離，是消除雙繞組步進電動機主、備繞組感應電流現象的主要原則，具體措施包含如下兩種。

1) 措施一：采用磁保持繼電器對電機繞組進行隔離，即主繞組工作時，通過繼電器切斷備繞組與其驅動線路之間的通路。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潛在通路進行隔斷，但需要額外增加2個繼電器及相應外圍電路，且從宇航型號FMEA(故障模式影響分析)角度[4]，在電機控制系統中增加了繼電器單點，因此設計時謹慎使用。

2)措施二：在電機驅動線路功率電源端串入隔離二極管，確保主繞組工作時，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單，宇航型號中為了防止故障蔓延，確保可靠性，對隔離二極管的選型需要注意以下兩點：

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計；同時，流經二極管的驅動電流產生的熱屬于對二極管破壞性最強的應力，因此二極管的熱設計需要謹慎處理。

b) 主繞組工作時，在備繞組中的感應電動勢隨電機轉速增加而增大，因此二極管的反向耐壓值需結合電機轉速進行選型考慮。

實驗室中，對某款宇航級雙繞組步進電動機及其驅動線路進行測試，電機軸轉速設定為700 (°)/s，分別測試加隔離措施(二極管隔離)和未加隔離措施的工況下系統工作電流，測試結果如表1所示。

表1 感應電流驗證實驗

4 結 語

為了防止單點故障，宇航運動機構通常采用雙繞組步進電動機作為驅動單元。對于雙繞組步進電動機及其主、備驅動線路，其中，主份工作時，電機主繞組定子鐵心上磁場在備電機繞組中產生感應電動勢，經過備驅動線路中的潛在通路，形成感應電流。感應電流回路的存在使備電機繞組處于發電機的工作模式，成為主繞組的負載，最終導致系統工作電流異常增大，影響機構運動的穩定性。通過上述機理分析，提出磁保持繼電器或隔離二極管對主、備繞組的潛在通路進行隔離的措施，可以消除雙繞組步進電動機主、備繞組感應電流現象。實驗室中，通過對加二極管隔離措施前后電機驅動線路進行測試，驗證了感應電流機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電動機自定位力矩設計[J]．微特電機，2012，40(1):22-23.

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

[3] 劉寶廷，程樹康．步進電動機及其驅動控制系統[M]．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997:11-15.

[4] 康銳，石榮德．FMECA技術及其應用[M]．北京：國防工業出版社，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，研究方向為機構運動控制。