航空放油阀通常采用旋转式有刷直流电机, 通过蜗轮蜗杆机构或者旋转丝杠结构驱动。这种机构经过一定传动比的减速以后, 输出力矩大, 通过直线位置传感器, 还可做到位置的精确控制, 并具有较强的断电锁紧力矩。但是, 直线运动机构体积大、重量重、传动效率低, 齿轮啮合存在机械磨损和“回差”,而且控制复杂, 可靠性不高。实际上, 飞机电液伺服阀、氧气浓缩器压缩阀、应急放油阀、电动活门、发动机油门杆、卫星天线等直线运动场合的负载推力并不大, 使用蜗轮蜗杆机构或者旋转丝杠结构仅仅希望能将旋转运动变为直线运动, 但却不适应飞机快速作动阀高可靠性、高灵敏度、高频响和直接驱动的性能要求。
    混合式直线步进电机(Hybrid Linear Stepping Motor, HLSM ) 是一种将脉冲信号转换成直线运动的数字脉冲电机, 即使在开环条件下, 无须直线位移传感器, 也能够做到精确定位控制。该电机具有结构简单、行程长、耗电省、温升低、容易数字控制、无累积定位误差、惯性小、互换性强和可直接驱动等明显优点。
    目前, 采用稀土永磁(REPM) 材料的直线混合式步进电机发展较快, 在绘图仪、计算机设备、机器人、精密仪表、传输设备、自动开门以及检测控制等领域已得到广泛的应用。而航空直线伺服系统要求具有可靠性高、维修性好、体积小、重量轻等特点之外, 还必须具有精度高、频响快、灵敏度高的优点, 所以研究高性能、高可靠性、高定位精度的直线步进电机具有实际意义。
基本特点与工作原理
    直线步进电机按其电磁推力的产生机理可以分为变磁阻式和混合式两种。前者结构简单、成本低,缺点是无定位力矩, 不宜微步控制, 推力仅靠磁路不对称提供, 数值偏小, 力矩波动大。
    而混合式直线步进电机在加入稀土永磁材料以后, 即使在断电的情况下, 永磁体也能够产生一定的锁定力矩, 并可保持动子在期望的步距位置上。在相同体积情况下产生的推力要比磁阻式直线步进电机大, 容易实现微步控制, 而且控制步距对参数不敏感, 一致性好。
    通常混合式直线步进电机采用细分技术可实现较高的平稳性, 能大大减小推力的波动, 比较适合在体积重量要求严格的航空航天领域使用。
    混合式步进直线电机的磁场推力不仅和各相绕组通入的脉冲控制电流有关, 还和内部存在的固定永磁磁场大小有关。随着各相绕组中控制电流发生变化, 使得各极下的磁场位置发生变化, 从而带动步进电机动子产生直线步进运动。一般步进电机的步距角(位移分辨率) 与齿距、运行拍数和相数有关。
    两相平板型混合式直线步进电机的基本结构如图1 所示。在图1 中, 定子由开有等距齿槽的叠片铁心组成, 动子由永久磁铁和电磁铁EMA 与EMB 组成。电磁铁EMA 上安放集中绕组A , 具有1 和2 两个磁极, 电磁铁EMB 上安放集中绕组B, 具有3 和4 两个磁极, 4 个磁极上还有几个平行齿(图1 中为2 个齿, 且定子和动子齿距相等)。当绕组没有电流时, 永久磁铁向所有的磁极提供了大致相等于Φ/2的常值磁通(Φ是永久磁铁提供的总磁通)。

   
    如果让A 相绕组通入余弦电流, 同时让B 相绕组通入正弦电流(如图2 中虚线所示) , 则在0～ π/2范围内, 线圈B 中的电流从零逐渐增加到最大, 使得极4 下的磁通由Φ/2 逐渐增大到它的最大值Φ ,而极3 下的磁通逐渐由Φ/2 下降到零。同时极1 的磁通随着A 相电流下降而下降, 配合线圈B 使动子平滑均匀地向右移动。由于磁通具有力图通过磁阻最小路径的原理, 所以电流由大到小交变一次, 动子就严格地移动1 个齿距。

   
    当A 相电流由最大值下降到零,B 相电流由零上升到最大值时, 动子沿平行轨道推进了1/4 个步距角; 如果A 相电流由最大值下降的同时, B 相电流由零开始上升, 当它们的值达到相等时, 则动子正好对应地移过1/8 个步距角。
控制系统构成与平稳控制方法
    本系统采用基于AT 89C2051 单片机为核心的数字控制技术。其控制系统硬件主要包括: 单片机CPU、细分控制驱动电路A 3957SLB、光电隔离与信号调理电路、系统保护电路、“看门狗”电路等。系统构成原理如图3 所示。

   
    为了实现混合式直线步进电机在运行中的平稳性, 在控制上采用了细分控制策略。其控制方法是在每个齿距下, 对两相直线步进电机绕组按细分规律通电, 采用每个整步距下逐渐变占空比的PWM 恒流控制办法。即: 让一相绕组的PWM 占空比按正弦规律由大变小, 另一相绕组的占空比按余弦曲线由小变大。这种逐渐过渡的变占空比控制方法可使电机磁势幅值均匀变化, 出力均匀, 从而实现平稳运行。
    如果每个整步(不细分) 的细分步数为N , 则在每个输入脉冲下步进电机运行步距为不细分时步距的1/n , 从正、余弦波形来看,<