航空航天结构力学及控制全国重点实验室赵淳生院士团队 领航国家超声电机技术 助力航空航天事业发展.pdf
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1、2024 年第 1 期5中国高新科技INNOVATING CHINA|创新中国南京航空航天大学研发的超声电机为我国航天事业的发展立下了汗马功劳。面对自主研发的超声电机助力“嫦娥系列”巡视器,他说:“这个技术是买不来、讨不来的,要靠自己创造。”他,就是赵淳生,我国超声电机的奠基人、我国超声电机技术领域最早和最全面的研究者之一,他的满腔热情已经深深融入他所热爱的航天事业,带领航空航天结构力学及控制全国重点实验室这支国家级团队,为我国的航天事业开拓着更加宽阔的道路。赵淳生是我国著名机械工程专家、中国科学院院士、南京航空航天大学教授/博士生导师,长期从事振动工程理论和应用研究,在超声电机运动机理、机电
2、耦合模型、结构参数优化设计、驱动与控制技术等方面提出了系统的理论和设计方法。授权国家发明专利 40 多项,发表学术论文 400 多篇,获得国家技术发明二等奖 2 项、国家科技进步三等奖 1 项。先后荣获“何梁何利基金科技进步奖”、国际“超声电机终生成就奖”和“超声电机技术杰出贡献奖”、2015年“全国先进工作者”、2021年“全国最美科技工作者”等荣誉和奖项。一生只为航天梦作家、南航教授于媚在从放牛娃到院士一书中这样描述赵淳生院士:“赵淳生出生在湖南衡山县一个贫寒的农村家庭,父亲因参加共产党的地下组织,在他婴幼儿时期就离开了家没有了音信(后来得知在辽沈战役牺牲),母亲在他九岁时也因病而故,自此
3、,他与祖母、姑妈相依为命。少年时期,他除了刻苦努力读书外,课余时间全部用来帮他人放牛、砍柴,赚取微薄的收入以贴补家用。凭借超强的意志,他考取了大学,此后,两次出国深造,又两次回国,不为他国的高薪引诱,立志为中华民族之崛起而努力奋斗!在他失去亲人、三次患上癌症的磨难下,不顾生死,就是为了要实现超声电机中国梦!”从 20 世纪 90 年代初至今,历时近 30 年之久,赵淳生院士及其团队对超声电机技术进行了全面和深入的基础研究,承担并完成 2 项国家自然科学基金重点项目、52 项面上/青年国家自然科学基金项目、2 项国家 973 项目、1 项 863 计 划 项 目、1 项 173 项 目、1 项江
4、苏省重大科技成果转化项目、1 项国家自然科学基金-航天科技集团联合基金集成项目、2 项国家自然科技基金与广东省联合基金项目、2 项国防领域重大项目,取得了令人瞩目的成果。授权的国家发明专利 300 多项,发表论文 1000 多篇;2010 年、2011 年先后出版中、英文专著 超声电机技术与应用各一部,其中英文版专著在全世界畅销。先后荣获超声电机国家技术发明二等奖航空航天结构力学及控制全国重点实验室赵淳生院士团队领航国家超声电机技术 助力航空航天事业发展 文朱琳周玮2 项和国际奖 2 项。该团队研制的超声电机已应用于嫦娥 3、嫦娥 4、嫦娥5,墨子号量子科学实验卫星,“行云二号”的 1、2 号
5、卫星,“齐鲁一号、二号和三号”激光通信卫星,以及“海丝一号”和“巢湖一号”卫星。毫不夸张地说,该团队研究的超声电机技术,在国内已处于领先地位,在国际上也占有一席之地。现在,该团队奋斗新时代,开启新征程:面向国家航天高端装备需求,攻克了“四超一特”超高型超声电机技术。如图 1 所示,上排是应用了传统超声电机的航天装备,下排是应用了基于“四超技术”超声电机的航天装备。经过近 30 年的刻苦研究、实验和应用,赵淳生院士团队所研发的超声电机终于达到了世界先进水平,因为它体积小、重量轻,非常适宜装载在“嫦娥”系列航天器上,开创了我国超声电机在航天领域应用的先河。赵淳生说:“自古英雄多磨难,对磨难不要拒绝
6、,而要欣然接受。”作家于媚教授在从放牛娃到院士一书的后记中写道:“原来,世间纵有千万种花,但唯独由灵魂深处开出的那朵,才能真正做到让芬芳永驻,让绚烂永恒。”这是对赵淳生科研生涯最美好的赞颂。图1 超声电机应用于我国重大工程和航天领域的高端装备 2024 年第 1 期6中国高新科技创新中国|INNOVATING CHINA国家需求记心间按照习近平总书记“探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国”的指示,近年来我国加快航天强国建设步伐,不断拓展空间应用深度和广度。随着星 间/星地激光通信、天文观测、对地观测等航天重大任务和商业航天项目的部署和实施,航天器所携带的载荷越来越精密,也越来越依赖高端基础
7、性的空间驱动与控制部件。以电机为代表的空间驱动与控制部件是未来空间技术发展的关键。以卫星激光通信为例,由于星间距离非常远、激光束极狭窄,卫星本身还以极高的速度运行,亟需先进的驱动与控制部件实现亚微弧度级扫描和跟踪。然而,传统的电磁电机和传统的超声电机因受到控制精度、超低转速及其超高稳定性和超快响应,以及体积和重量的限制,已不能满足或不能完全满足空间卫星通信驱动与控制的要求,后继高精度遥感、观察和远距离激光通信等亟需亚角秒级跟踪指向。因此,迫切需要开辟新的赛道发展颠覆性的新型超声电机技术。因此,特别需要开辟新的赛道发展颠覆性的新型超声电机技术,见图2。南京航空航天大学超声电机研究团队在赵淳生院士
8、的带领下,在国内外率先针对航天领域应用需求,深入研究了驱动信号与摩擦致动耦连规律,独创性地提出了基于双 PWM 功率拓扑结构的零相位关断和虚拟短路关断驱动方法,建立了驱动信号的脉冲和单相等控制方法,实现了超声电机超高分辨率、超低转速、超快响应和超高速度稳定度运行,被人们称为“四超技术”。该技术的创新点体现在以下 4 个方面:第一,超声电机是一种典型的机电耦合系统,其激励电路拓扑形式对其性能起着至关重要的作用。目前,常规的拓扑电路难以实现幅/频解耦和机电能量调控,严重地制约着超声电机的输出性能。针对这一问题,赵淳生团队提出了具有多参模式驱动与控制能力的新型功率拓扑结构,具有频率/幅值参数正交调节
9、、正向超声功率输出、反向阻抗功率泄放、同步时序逻辑等多参特征的驱动与控制技术。该种拓扑形式的电路是超声电机性能的倍增器,是实现四超性能的硬件基础。第二,超声电机关断环节是实现超高分辨率、超快响应最为关键的环节。然而,当控制器发出关断指令时,对于组合逻辑电路两相驱动信号关断时的相位是随机且离散的,对其时序逻辑电路的中断过程又需要时间,这导致指令发出后电机还能继续运动,影响高精度定位及低速度稳定性。因此,赵淳生院士团队提出了零相位点关断和虚拟短路关断驱动方法。零相位指以任何一相驱动信号的过零点,作为两相驱动信号同时停止输出关键时刻点,满足零相位条件的驱动信号关断,使电机定位机械误差最小,这是关断的
10、必要条件;同时,将功率拓扑结构从正向超声功率输出转变成反向阻抗功率泄放,利用功率拓扑结构获得虚拟阻抗,强制将谐振网络上残留的能量实现快速泄放,使电机定位电气误差最小,这是关断的充分条件。该方法不仅消除了衰减的驱动信号对定位精度的影响,更重要的是还消除了外部干扰、耦合电场对超声电机的影响,不仅可使超声电机获得非谐振型压电作动器(如德国 PI 公司生产的压电堆)的位移分辨率,还可保持谐振型压电作动器(超声电机)的大行程。以上两种关断方法,是控制驱动信号实现电机四超性能的充要条件。第三,在常规的脉冲控制中,频繁的启停导致定位误差不断积累。为此,赵淳生院士团队基于驱动信号的功率拓扑结构和同步时序逻辑等
11、硬/软件架构,提出了以驱动信号的脉冲数、脉冲周期等作为控制参数的脉冲控制方法。并首次发现了脉冲与定位分辨率、脉冲周期与速度分辨率等之间存在近似线性的函数关系,保证了在输出力矩不变的条件下电机的直驱速度连续可调。第四,在传统型的超声电机控制系统中,两相驱动信号相位差保持90,要求两相幅值保持相等。若以调幅模式调节超声电机输出速度,往往是让两相驱动信号的幅值同时降低或升高。当幅值低至某一阈值时,超声电机转动稳定性变差甚至停转,造成超声电机速度的调节范围变得很窄。因此,赵淳生院士团队提出 SIN/COS 两相驱动信号中任一相参数保持不变,另一相参数(脉冲、电压)作为控制参数的单相脉冲、单相幅值的控制
12、方法,打破了传统的超声电机理论及其调节方法。经过长期深入的研究和实验验证,驱动信号中只要有一单相参数的改变,就能更加精准地控制超声电机定位分辨率、速度。团队还发现,单相电压参数与超声电机角位移、角速度呈近似线性函数关系。赵淳生院士团队独创的控制驱动信号技术,使得定位精度对国际先进水平提升图2 超声电机应用于空间驱动与控制机构,有望冲破技术的天花板图3 日本新生公司(Shinei Co.)超声电机USR30-B3/4(左)、USR60-B3/4(中)及USR30-S3/4(右)的机械特性曲线(资料来源于新生公司官网,2020.7.10版本)2024 年第 1 期7中国高新科技INNOVATING
13、 CHINA|创新中国了 4 个数量级,角速度直驱调节范围提升了 4 个数量级,速度稳定度提升了 2 个数量级。图 3 所示是日本老牌的新生公司(Shinei Co.)在其官网上发表的该公司超声电机转速应用范围(电机使用范围只允许大于 20rpm)。总之,赵淳生院士团队在双 PWM功率拓扑结构的硬件创新基础上,颠覆性地提出了零相位关断和虚拟短路关断驱动方法,建立了以脉冲和单相脉冲、单相幅值为驱动信号的控制方法,不仅可使超声电机获得非谐振型压电作动器的位移分辨率,而且保持了谐振型压电作动器的大行程,突破了著名的日本超声电机专家 Uchino 教授定义的角位移分辨率极限,实现了超声电机超高分辨率、
14、超低转速、超快响应和超高速度的稳定运行。空间激光通信技术的快速发展,对大孔径、大力矩中空型行波旋转超声电机的需求日益迫切。据悉,从中空型行波旋转超声电机诞生至今已经超过 30 年,但仍未出现一款外径特大、内孔径特大、堵转力矩较大的中空型行波旋转超声电机,其中的主要原因是中空型行波旋转超声电机的尺寸受到了极大的限制,具体体现在定子、柔性转子、压电陶瓷环等核心部件尺寸无法做大。定子的设计难点在于工作模态的选择,通常固有频率大于 20kHz 的模态阶数较多,导致无法获得与因尺寸放大所付出代价相匹配的性能收益。对于柔性转子而言,由于外径和内径尺寸都比较大,厚度却极薄,属于超大尺寸薄壁零件的范畴,其在加
15、工制造过程中极易发生变形,无法保证加工精度,进而导致电机工作性能很差。2019 年,上海光机所一行人员到赵淳生院士创办的产业化公司(南京航达超控科技有限公司,以下简称“超控公司”)调研超声电机产品的应用情况后,要求与超控公司签订超声电机合作协议,合作协议除了多项高性能指标(见表 1),还要求外径为 120mm、内孔径为 80mm,旨在用于激光通信上跟瞄系统(Acquisition Tacking and Pointing,ATP)。当时,超控公司成立不久,他们所生产的超声电机性能指标远低于表1 所列的指标,现在又增加了大中空超声电机的难题。早在赵淳生院士团队研究超声电机的初期,就应某国防单位需
16、求设计并研制了一款中空型超声电机,额定转速 10rpm,额定转矩 0.2Nm,最大转速 250rpm,最大扭矩 0.25Nm。后来,该研究中断。根据查新和有关信息,目前世界上没有如此高性能大中空的超声电机。赵淳生院士看到公司研究人员对这一任务有些畏难情绪,便对大家说:“既然是国家需求,我们又是干这一行的,尽管指标很高,但我们已经有雄厚基础,困难再大也要想办法把它干出来”,他鼓励大家把这个任务接下来。最终,杨淋总经理在合作协议上签字。此后,在赵淳生院士的精心指导和杨淋总经理的带领和精心安排下,发挥公司每个人的长处,在自己担负的工作中大胆创造,如研发部负责人杨模尖突破大中空超声电机结构设计;生产部
17、负责人赵荣城为保证制造加工精度作了一次又一次的试验;潘松副教授和梁大志高工在控制上提出多种不同方法,进行多次试验,确保超高精度、超低转速、超高稳定性、超快响应;整个公司人员都秉持工匠精神,工人师傅与技术员密切合作。为这款超高性能超声电机献计献策,加班加点攻克难题。经过近 3 年的技术攻关,根据上海光机所提出的需求,终于交出了一款满足其要求的超高性能的超声电机,并于 2020 年 5 月成功应用于“行云二号”卫星 1、2 号星低轨激光通信,初步解决了我国卫星间激光通信的一大关键技术难题!赵淳生院士把这个电机称为“四超一特”超声电机,并把它作为超控公司首个品牌电机。破解“大中空”一特技术的难题针对
18、大中空电机的设计难题,赵淳生院士带领研究团队攻克了多项关键技术难关,包括电机动力学建模、大尺寸定子结构设计和优化策略、柔性转子结构设计快速评价方法、整机装配工艺等,经过大量研发工作最终获得成功。杨淋总经理和研发部长杨模尖及其在公司的博士生夜以继日地工作,基于ADINA 的超声电机动力学模型,对不同类型超声电机的整机结构,以定子和转子(动子)接触界面状态为研究核心,表1 上海光机所要求外径为120mm中空超声电机性能指标及其完成情况指标数值备注结果值内圈直径86mm86mm外圈直径120mm120mm驱动力矩1Nm1Nm自锁力矩1.5Nm2Nm最低转动速度0.01/s需支持最高转速10/s(约1
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