步進(jìn)電機(jī)對(duì)提高航標(biāo)燈器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的作用

張勝橋

摘 要

本文研究并論述了一種一種基于步進(jìn)電機(jī)的航標(biāo)燈器設(shè)計(jì)方案，本方案中采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)航標(biāo)燈器旋轉(zhuǎn)，對(duì)提高航標(biāo)燈器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性水平有確切價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】航標(biāo)燈器 步進(jìn)電機(jī) 穩(wěn)定性

當(dāng)前航標(biāo)燈器應(yīng)用領(lǐng)域中關(guān)鍵器件的國產(chǎn)化程度比較有限，干線燈塔所采用的航標(biāo)燈器大多自國外進(jìn)口且使用時(shí)間較長，不同程度上存在智能化程度低、功耗大、老化嚴(yán)重等問題，并且也不符合節(jié)能減排的應(yīng)用需求，對(duì)新時(shí)期航變管理的現(xiàn)代化實(shí)現(xiàn)是非常不利的。本文即根據(jù)此背景，提出一種基于步進(jìn)電機(jī)的航標(biāo)燈器設(shè)計(jì)方案，本方案中采用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)航標(biāo)燈器旋轉(zhuǎn)，對(duì)提高航標(biāo)燈器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性水平有確切價(jià)值。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

整套航標(biāo)燈器機(jī)械結(jié)構(gòu)如下圖所示（見圖1）。結(jié)合圖1：該航標(biāo)燈器外形尺寸為1000.0mm×1500.0mm，航標(biāo)燈體與航標(biāo)燈器控制器采用分離式設(shè)計(jì)、燈器結(jié)構(gòu)下部為驅(qū)動(dòng)模塊，主要裝置包括：步進(jìn)電機(jī)、控制信號(hào)線接線排、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、防塵罩、以及機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等；燈器結(jié)構(gòu)上部則為光學(xué)模塊；燈器結(jié)構(gòu)中心部位配置換泡機(jī)以及安裝燈泡，透鏡以及透鏡支架等。系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)中選用電機(jī)為空心軸式步進(jìn)電機(jī)，將步進(jìn)電機(jī)固定于穿過航標(biāo)燈器軸心的中心支桿，帶動(dòng)旋軸執(zhí)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。在航標(biāo)燈器正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，航標(biāo)燈器控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用力，使其按照預(yù)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，為六面透鏡提供轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，產(chǎn)生預(yù)定燈質(zhì)的閃光導(dǎo)航信號(hào)，發(fā)揮航標(biāo)管理功能。

2 旋轉(zhuǎn)方式設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段可用于航標(biāo)燈器旋轉(zhuǎn)的模式眾多。如何確保航標(biāo)旋轉(zhuǎn)燈器運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)性與穩(wěn)定性是旋轉(zhuǎn)方式設(shè)計(jì)中必須高度重視的課題之一。分析認(rèn)為，航標(biāo)燈器的旋轉(zhuǎn)具有一定特殊性：

（1）對(duì)航標(biāo)燈器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性要求高，要求確保航標(biāo)燈器所產(chǎn)生燈質(zhì)能夠始終符合預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）對(duì)航標(biāo)燈器運(yùn)轉(zhuǎn)持久性要求高，應(yīng)當(dāng)在滿足燈質(zhì)要求的前提下盡可能延長維護(hù)間隔時(shí)間。

（3）對(duì)航標(biāo)燈器運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速要求高，應(yīng)當(dāng)在滿足燈質(zhì)要求的前提下盡可能保持航標(biāo)燈器的穩(wěn)定低速運(yùn)轉(zhuǎn)。

滿足上述特點(diǎn)，航標(biāo)燈器的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式主要實(shí)現(xiàn)途徑有以下三種：

（1）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。目前，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)航標(biāo)燈器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式在國外航標(biāo)燈器管理領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛。

（2）伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。如英國PRB系列以及西班牙BGA系列燈器均采用此種驅(qū)動(dòng)方式。

（3）步進(jìn)電機(jī)+同步帶驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)。如美國TRB-400燈器即采用此種驅(qū)動(dòng)方式。

結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看，上述三種旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式均可基本滿足航標(biāo)燈器的運(yùn)轉(zhuǎn)需求，但同時(shí)也存在一定的局限性，如步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案下航標(biāo)燈器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性較差，轉(zhuǎn)動(dòng)一周周期內(nèi)的即時(shí)速度不夠均勻，會(huì)對(duì)航標(biāo)燈器燈質(zhì)質(zhì)量產(chǎn)生影響；伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方案下雖然可提高航標(biāo)燈器的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)速精確，但驅(qū)動(dòng)部分相對(duì)復(fù)雜，后期維護(hù)管理存在較大難度；而步進(jìn)電機(jī)+同步帶驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方案則具有控制方便、轉(zhuǎn)速精確的優(yōu)勢(shì)，但由于需要合并同步帶傳輸，因此整套旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同步帶在后期使用中存在的老化問題也必須引起重視。

參考上述多種旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)航標(biāo)燈器旋轉(zhuǎn)具有穩(wěn)定性高、控制簡單的特點(diǎn)，故在本方案設(shè)計(jì)中選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。該驅(qū)動(dòng)模式下，最關(guān)鍵性的問題時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，在發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，起到簡化機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的理想效果。在步進(jìn)電機(jī)的多種傳動(dòng)方式下，考慮到維護(hù)方便性，加工成本低廉，以及傳動(dòng)適用范圍等因素，本方案中采取聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)方式，通過聯(lián)軸器將動(dòng)力直接傳遞給執(zhí)行部件，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)為航標(biāo)燈器的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。

3 升降頻控制設(shè)計(jì)

在航標(biāo)燈器采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的過程中，步進(jìn)電機(jī)升降頻的控制主要可采用如下三種方式實(shí)現(xiàn)：

第一是直線升降頻控制。

第二是指數(shù)曲線升降頻控制。

第三是拋物線升降頻控制。

對(duì)于第一種控制方式而言，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下以恒定加速度進(jìn)行升降操作，平穩(wěn)性好，近似于步進(jìn)電機(jī)的加減速過程運(yùn)動(dòng)規(guī)律，雖然加速時(shí)間長，但軟件實(shí)現(xiàn)難度低，多建議應(yīng)用于速度變化較大的快速定位方式；

對(duì)于第二種控制方式而言，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下根據(jù)其矩頻特性進(jìn)行控制，可最大限度利用步進(jìn)電機(jī)有效轉(zhuǎn)矩作用率，具有良好的快速響應(yīng)能力，升降頻時(shí)間段。但本方案下若速度變化快則會(huì)對(duì)升降頻平衡性產(chǎn)生影響影響，故多建議應(yīng)用于跟蹤響應(yīng)要求較高的切削加工工況中；

對(duì)于第三種控制方式而言，其將上述兩種控制方式綜合一體，利用步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的有效轉(zhuǎn)矩作用力，以縮短升降速時(shí)間，同時(shí)也具有指數(shù)曲線升降頻控制模式下的跟蹤優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用潛力大。本設(shè)計(jì)方案中根據(jù)航標(biāo)燈器控制系統(tǒng)特點(diǎn)，采用直線升降頻控制方案，以避免步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)過沖或失步問題，提高穩(wěn)定性。

根據(jù)上述分析，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)保留一定的預(yù)留量，燈器控制系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)中每次起動(dòng)時(shí)，初始轉(zhuǎn)速確定為每圈180.0s，起動(dòng)過程中按照0.006rad/s?。由于航標(biāo)燈器在實(shí)際運(yùn)行中容易受到各種不確定外來因素的影響，程序中設(shè)計(jì)了智能化自動(dòng)跟蹤功能，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

4 結(jié)束語

以上研究中根據(jù)航標(biāo)燈器運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn)以及在航標(biāo)管理領(lǐng)域中的條件限制，將步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式引入航標(biāo)燈器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為航標(biāo)燈器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。在本設(shè)計(jì)方案作用下，步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)航標(biāo)燈器運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，控制方便快捷，有廣泛應(yīng)用價(jià)值，并且對(duì)航標(biāo)燈器的國產(chǎn)化開發(fā)有良好促進(jìn)作用。

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作者單位

北海航海保障中心煙臺(tái)航標(biāo)處 山東省煙臺(tái)市 264000