论提高步进电机在航标灯器运转中的论文发表稳定性

　　论提高步进电机在航标灯器运转中的稳定性

　　北海航海保障中心烟台航标处 张胜桥 264000

　　【摘要】本文研究并论述了一种一种基于步进电机的航标灯器设计方案，本方案中采用步进电机直接驱动航标灯器旋转，对提高航标灯器在运转过程中的稳定性水平有确切价值。

　　【关键词】航标灯器；步进电机；稳定性

　　当前航标灯器应用领域中关键器件的国产化程度比较有限，干线灯塔所采用的航标灯器大多自国外进口且使用时间较长，不同程度上存在智能化程度低、功耗大、老化严重等问题，并且也不符合节能减排的应用需求，对新时期航变管理的现代化实现是非常不利的。本文即根据此背景，提出一种基于步进电机的航标灯器设计方案，本方案中采用步进电机直接驱动航标灯器旋转，对提高航标灯器在运转过程中的稳定性水平有确切价值。

　　1 机械结构

　　整套航标灯器机械结构如下图所示（见图1）。结合图1：该航标灯器外形尺寸为1000.0mm×1500.0mm，航标灯体与航标灯器控制器采用分离式设计、灯器结构下部为驱动模块，主要装置包括：步进电机、控制信号线接线排、电机驱动器、防尘罩、以及机械传动结构等；灯器结构上部则为光学模块；灯器结构中心部位配置换泡机以及安装灯泡，透镜以及透镜支架等。系统机械结构中选用电机为空心轴式步进电机，将步进电机固定于穿过航标灯器轴心的中心支杆，带动旋轴执行旋转动作。在航标灯器正常运转过程中，航标灯器控制器对步进电机产生驱动作用力，使其按照预定转速运转，为六面透镜提供转动驱动力，产生预定灯质的闪光导航信号，发挥航标管理功能。

　　图1：航标灯器机械结构示意图

　　2 旋转方式设计

　　现阶段可用于航标灯器旋转的模式众多。如何确保航标旋转灯器运转的连续性与稳定性是旋转方式设计中必须高度重视的课题之一。分析认为，航标灯器的旋转具有一定特殊性：第一是对航标灯器运转稳定性要求高，要求确保航标灯器所产生灯质能够始终符合预设标准；第二是对航标灯器运转持久性要求高，应当在满足灯质要求的前提下尽可能延长维护间隔时间；第三是对航标灯器运转转速要求高，应当在满足灯质要求的前提下尽可能保持航标灯器的稳定低速运转。满足上述特点，航标灯器的旋转驱动方式主要实现途径有以下三种：第一，步进电机驱动。目前，步进电机驱动航标灯器旋转驱动方式在国外航标灯器管理领域中应用较为广泛；第二，伺服电机直接驱动。如英国PRB系列以及西班牙BGA系列灯器均采用此种驱动方式；第三，步进电机＋同步带驱动传动。如美国TRB-400灯器即采用此种驱动方式。

　　结合实践应用经验来看，上述三种旋转驱动方式均可基本满足航标灯器的运转需求，但同时也存在一定的局限性，如步进电机驱动方案下航标灯器运转平稳性较差，转动一周周期内的即时速度不够均匀，会对航标灯器灯质质量产生影响；伺服电机直接驱动方案下虽然可提高航标灯器的旋转稳定性，转速精确，但驱动部分相对复杂，后期维护管理存在较大难度；而步进电机＋同步带驱动传动方案则具有控制方便、转速精确的优势，但由于需要合并同步带传输，因此整套旋转结构复杂，同步带在后期使用中存在的老化问题也必须引起重视。

　　参考上述多种旋转驱动方式的运行经验认为步进电机驱动航标灯器旋转具有稳定性高、控制简单的特点，故在本方案设计中选用步进电机驱动方案。该驱动模式下，最关键性的问题时对旋转传动装置进行设计，在发挥步进电机优势的同时，起到简化机械传动结构的理想效果。在步进电机的多种传动方式下，考虑到维护方便性，加工成本低廉，以及传动适用范围等因素，本方案中采取联轴器直接驱动方式，通过联轴器将动力直接传递给执行部件，以驱动步进电机为航标灯器的稳定运转提供动力。

　　3 升降频控制设计

　　在航标灯器采用步进电机驱动的过程中，步进电机升降频的控制主要可采用如下三种方式实现：第一是直线升降频控制，第二是指数曲线升降频控制，第三是抛物线升降频控制。对于第一种控制方式而言，步进电机驱动下以恒定加速度进行升降操作，平稳性好，近似于步进电机的加减速过程运动规律，虽然加速时间长，但软件实现难度低，多建议应用于速度变化较大的快速定位方式；对于第二种控制方式而言，步进电机驱动下根据其矩频特性进行控制，可最大限度利用步进电机有效转矩作用率，具有良好的快速响应能力，升降频时间段。但本方案下若速度变化快则会对升降频平衡性产生影响影响，故多建议应用于跟踪响应要求较高的切削加工工况中；对于第三种控制方式而言，其将上述两种控制方式综合一体，利用步进电机在低速运转工况下的有效转矩作用力，以缩短升降速时间，同时也具有指数曲线升降频控制模式下的跟踪优势，应用潜力大。本设计方案中根据航标灯器控制系统特点，采用直线升降频控制方案，以避免步进电机出现过冲或失步问题，提高稳定性。

　　根据上述分析，实际设计时保留一定的预留量，灯器控制系统在程序设计中每次起动时，初始转速确定为每圈180.0s，起动过程中按照0.006rad/s²。由于航标灯器在实际运行中容易受到各种不确定外来因素的影响，程序中设计了智能化自动跟踪功能，具体实现流程如下图所示（见图2）。

　　图2：航标灯器控制系统程序设计实现流程示意图

　　4 结束语

　　以上研究中根据航标灯器运转的特点以及在航标管理领域中的条件限制，将步进电机直接驱动方式引入航标灯器设计领域，为航标灯器控制系统的设计提供了重要依据。在本设计方案作用下，步进电机直接驱动航标灯器运转，结构设计简单，运转稳定可靠，控制方便快捷，有广泛应用价值，并且对航标灯器的国产化开发有良好促进作用。

　　参考文献：

　　[1] 张临强,钟建军,孙文远等.基于SMS的航标灯器智能遥测遥控系统研究与设计[C].//中国航海学会船标专业委员会2007年沿海、内河航标学组联合年会论文汇编.2007:178-184.

　　[2] 陈陵珠,陈先国,陈柱等.免维护智能化航标灯的研制与应用[J].中国水运（上半月）,2010,(4):48-49.

　　[3] 林登山.灯驱分离式全防护远射程航标灯器的设计与应用[C].//2013年“苏浙闽粤桂沪”航海学会学术研讨会论文集.2013:274-283.

　　[4] 刘元贞.一体化航标灯技术与应用前景分析[C].//中国航海学会船标专业委员会2007年沿海、内河航标学组联合年会论文汇编.2007:344-348.

　　[5] 张临强.航标灯器的通信问题讨论[C].//中国航海学会航标专业委员会沿海航标学组、无线电导航学组、内河航标学组年会暨学术交流会论文集.2009:425-427.