張勝橋

摘 要

本文研究并論述了一種一種基于步進電機的航標燈器設(shè)計方案，本方案中采用步進電機直接驅(qū)動航標燈器旋轉(zhuǎn)，對提高航標燈器在運轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性水平有確切價值。

【關(guān)鍵詞】航標燈器 步進電機 穩(wěn)定性

當前航標燈器應用領(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燈器大多自國外進口且使用時間較長，不同程度上存在智能化程度低、功耗大、老化嚴重等問題，并且也不符合節(jié)能減排的應用需求，對新時期航變管理的現(xiàn)代化實現(xiàn)是非常不利的。本文即根據(jù)此背景，提出一種基于步進電機的航標燈器設(shè)計方案，本方案中采用步進電機直接驅(qū)動航標燈器旋轉(zhuǎn)，對提高航標燈器在運轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性水平有確切價值。

1 機械結(jié)構(gòu)

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

2 旋轉(zhuǎn)方式設(shè)計

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

（1）對航標燈器運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性要求高，要求確保航標燈器所產(chǎn)生燈質(zhì)能夠始終符合預設(shè)標準。

（2）對航標燈器運轉(zhuǎn)持久性要求高，應當在滿足燈質(zhì)要求的前提下盡可能延長維護間隔時間。

（3）對航標燈器運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速要求高，應當在滿足燈質(zhì)要求的前提下盡可能保持航標燈器的穩(wěn)定低速運轉(zhuǎn)。

滿足上述特點，航標燈器的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式主要實現(xiàn)途徑有以下三種：

（1）步進電機驅(qū)動。目前，步進電機驅(qū)動航標燈器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式在國外航標燈器管理領(lǐng)域中應用較為廣泛。

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

（3）步進電機+同步帶驅(qū)動傳動。如美國TRB-400燈器即采用此種驅(qū)動方式。

結(jié)合實踐應用經(jīng)驗來看，上述三種旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式均可基本滿足航標燈器的運轉(zhuǎn)需求，但同時也存在一定的局限性，如步進電機驅(qū)動方案下航標燈器運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性較差，轉(zhuǎn)動一周周期內(nèi)的即時速度不夠均勻，會對航標燈器燈質(zhì)質(zhì)量產(chǎn)生影響；伺服電機直接驅(qū)動方案下雖然可提高航標燈器的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)速精確，但驅(qū)動部分相對復雜，后期維護管理存在較大難度；而步進電機+同步帶驅(qū)動傳動方案則具有控制方便、轉(zhuǎn)速精確的優(yōu)勢，但由于需要合并同步帶傳輸，因此整套旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復雜，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)動方式的運行經(jīng)驗認為步進電機驅(qū)動航標燈器旋轉(zhuǎn)具有穩(wěn)定性高、控制簡單的特點，故在本方案設(shè)計中選用步進電機驅(qū)動方案。該驅(qū)動模式下，最關(guān)鍵性的問題時對旋轉(zhuǎn)傳動裝置進行設(shè)計，在發(fā)揮步進電機優(yōu)勢的同時，起到簡化機械傳動結(jié)構(gòu)的理想效果。在步進電機的多種傳動方式下，考慮到維護方便性，加工成本低廉，以及傳動適用范圍等因素，本方案中采取聯(lián)軸器直接驅(qū)動方式，通過聯(lián)軸器將動力直接傳遞給執(zhí)行部件，以驅(qū)動步進電機為航標燈器的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)提供動力。

3 升降頻控制設(shè)計

在航標燈器采用步進電機驅(qū)動的過程中，步進電機升降頻的控制主要可采用如下三種方式實現(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。

對于第一種控制方式而言，步進電機驅(qū)動下以恒定加速度進行升降操作，平穩(wěn)性好，近似于步進電機的加減速過程運動規(guī)律，雖然加速時間長，但軟件實現(xiàn)難度低，多建議應用于速度變化較大的快速定位方式；

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

對于第三種控制方式而言，其將上述兩種控制方式綜合一體，利用步進電機在低速運轉(zhuǎn)工況下的有效轉(zhuǎn)矩作用力，以縮短升降速時間，同時也具有指數(shù)曲線升降頻控制模式下的跟蹤優(yōu)勢，應用潛力大。本設(shè)計方案中根據(jù)航標燈器控制系統(tǒng)特點，采用直線升降頻控制方案，以避免步進電機出現(xiàn)過沖或失步問題，提高穩(wěn)定性。

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

4 結(jié)束語

以上研究中根據(jù)航標燈器運轉(zhuǎn)的特點以及在航標管理領(lǐng)域中的條件限制，將步進電機直接驅(qū)動方式引入航標燈器設(shè)計領(lǐng)域，為航標燈器控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要依據(jù)。在本設(shè)計方案作用下，步進電機直接驅(qū)動航標燈器運轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，控制方便快捷，有廣泛應用價值，并且對航標燈器的國產(chǎn)化開發(fā)有良好促進作用。

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作者單位

北海航海保障中心煙臺航標處 山東省煙臺市 264000