直线步进电机原理_直流步进电机驱动器设计

在航空航天领域中，对于机械装置的精度有着很高的要求。直线步进电机以其所具有的优点，能够满足在航空行业中运用的要求。对此，文章介绍了直线步进电机的工作原理、结构特点以及与传统式步机的比较，讲述了该种步机所具有的优缺点，最后详细地介绍了直线步进电机在航空领域中的相关应用。

 

　　直线步进电机是能够将电流脉冲信号转变为微步直线运动的一种驱动设备。在要求用精确直线运动运行的地方，直线步进电机凭借其高效的高速定位、高可靠性以及高密度性的数字式直线运动随动系统而得到广泛应用。它能够替代间接性的通过旋转步进电机经由一套中间转换设备从而实现直线运动的机械装置。并且直线步进电机的结构比较简单，它没有中间转换结构，进行运动的部分的质量轻，惯性很小，不存在漂移现象，无累计的定位误差出现。直线步进电机是一种理想化的并且是可开发应用和大范围推广的高定位精密仪器。混合式直线步进电机是由简单的改进而来的。其在计算机设备应用、数控机床、自动化绘图仪、机器人开发以及传输设备的检测控制等领域都得到了广泛的应用。尤其是在最近几年，快速发展的微电子器件和接口技术，促使直线式步进电机的自动化和智能化以及高度集成化的成本大大降低了，而且在航空航天领域里具有非常大的发展潜力和大范围推广的前景。

 

　　一、直线步进电机之工作转换

 

　　首先看其外部：电机工作转换的方法是利用旋转步进电机和转动结构的机械方式来进行的。齿轮和齿条的转动、涡轮及皮带涡杆的传动以及其他联动机械之间的传动，这些设计都需要各个机械零件来组成。然而这些传动方式的精密度低、零件寿命无法保证、噪声过大、结构过于复杂，最主要的是成本高。

 

　　再看其内部：在步进电机的内部实现线性变换的方法能够极大地简化设计，使之在许多实际应用中，能够直接在不使用外部机械联动装置的条件下用直线式步进电机完成精确的直线移动。在这里，要特别介绍两种：（1）刚开始的直线式步进电机是采用滚珠螺母配合着丝杆来完成的。电机的转子在磁场的作用下开始转动，与转子一体的滚珠螺母也随着开始转动，丝杆很自然地被带动产生需要的直线运动。但是滚珠螺母对校验的要求高，丝杆通常其螺距比较大，这导致造的缺点主要有：制造困难、费用过于昂贵、机械分辨率低、生产周期长。所以这种方法在诸多领域之中，往往不是一个实用的方法。（2）在螺纹式直线步进机中，其螺纹之间的距离决定了电机的精密程度。在直线步进电机的转子中心安置螺母时，要求螺杆和螺母必须完全吻合，这样才能使转子在旋转运行时，使螺杆实现线性运动。步进电机中的驱动螺母必须要选螺母中的**品种，并且要是自润滑的、热属性的材料；只有选择适当的好材料，才能在螺纹的稳定性和寿命上取得很好的效果。有一个理想的方法是将模压型塑料螺纹结构注入到金属转子组件的内部，这样能够提高电机的运行效率、延长其寿命，还能够极大程度地限制运行时的噪声。这种构造的直线步进电机虽然它的寿命长、效率高、稳定性好，但仍然是旋转的电机搭配上相关机械变换装置来得到所需的直线运动。

 

　　二、直线步进电机之直接转动

 

　　作为一种机电系统，直线步进电机的直接传动就是进一步把相关机械构造进行简单化，在电气控制技术方面做到进一步的完善，使之能够跟上现代电机技术发展的步伐。相比较于传统机械结构，直线步进电机并不是旋转运动与机械变换装置相结合来获得直线运动的，而是可以进行直接有效的直线传动。这种设备只要很小的电脉冲信号就可以形成比较大的推力，能够产生直线运动；这样能够消除由传统机械元件而引起的诸多误差与缺陷。

 

　　根据电磁场产生推力的原理，直线步进电机可以大致分类为两种：变磁阻式和混合式。前者具有结构简单、成本低的优点；缺点则是磁力数值小、不对称、力矩波动较大。后者混合式直线步进电机是在前者基础上加入了永磁体，因而即使是在断电的情况下，永磁体还能够产生一定的力矩，可以继续直线运行一段距离。由于永磁体的存在，因而在单位体积上能够形成比磁阻式更大的推力，能够较为轻易完成微步控制，并且其控制距离对于参数的依赖性弱，一致性较好。为了提高直线运动的平稳性、减小推力带来的波动，在混合式电机中通常使用细分技术。

 

　　直线步进电机的基本结构主要是由动子、定子以及线圈组成。动子主要组成是永久磁铁和电磁铁；定子则是由等距离的齿槽叠片贴心构成的。通常用细分技术来控制这种电机，能够实现高分辨率和精密定位。

 

　　三、直线步进电机在航空行业中的应用

 

　　航空领域中放油阀就是由涡轮涡杆结构或者旋转丝杆结构来驱动实现的。这类旋转电机驱动通过一定的传动比减速之后，使得输出的力矩增大，再经过直线位置上的传感器后能够做到位置的精确定位以及具有较强的断电力矩。然而，不是每样东西都是十全十美的，它的直线运动机构体积大、质量大、效率低，齿轮的吻合磨损大，且控制起来比较困难。在实际应用当中，可以知道在航空中要运用到直线运动的地方，诸如电液伺服阀、氧气压缩阀、放油阀、电动活门阀、发动机的油门杆、卫星天线等等，所需的推力并不是很大，而是希望能够将涡轮、涡杆或旋转丝杆等的旋转运动变换成直线运动，但却无法满足飞机快速动阀的一些性能要求，诸如靠性、频响、高灵敏度。

 

　　目前，在国内外用于航天动力系统的流量调节阀门有三种：一是多个电磁阀之间进行并联，用开关来控制各个管路上的流阻对管路上的流量来进行调节；二是使用旋转步机调节阀，是由步机的控制器产生并发送不同数量的脉冲波从而控制阀门，进而达到对液路流量的控制。这种调节阀能够进行无级调节，它可以是闭环调节也可以是开环调节，且对产品的传动结构的精度要求比较高，其造价较为昂贵。三是配合使用电液伺服和单双阀座流量机械式调节阀，来达到双流量的控制目的；其具有控制精度高、响应速度快的优点，但是这两种门阀都具有回流，并且制造难度大、造价昂贵。

 

　　现在又有一种新型的调节阀。直线步进电机与阀本体相结合的新型调节阀。该调节阀主要结构为直线步机、阀芯、阀座和回味弹簧。阀芯与步进电机的动子在结构上是相连接的，由于动子要做直线运动，因而和动子相连的阀芯也要做直线运动，阀门能够调节流通面积和开度，这就形成流量的变化，从而能够控制流量。若将阀芯的节流面做成抛物线状，那么流量和行程就将成线性关系。

 

　　四、结语

 

　　在航空动力系统中，调节阀是其最为重要的流量调节装置之一，发动机的推力改变及精确控制的实现都在很大程度上依赖于调节阀的特性。这就要求对于流量的变化与步进直线电机的行程要非常精确的成一定的比例。所以可靠性较高、定位精度较高、性能较高的直线步进电机在航空行业中有着非常好的应用前景。总之，直线步进电机在航空行业中有些很大的发展潜力以及大力推广的前景。