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1现代航天电机设计、控制、制造、测试一体化技术研究及应用班淑梅中国航天科技集团公司第一研究院第十八研究所北京9200信箱77分箱100076摘要：本文详细论述了航天电机研制一体化技术研究的总体思路、研究内容和实施方案。叙述了航天电机产品在研制过程中设计、工艺、检验等各环节协同设计的必要性，以及现代航天电机设计、控制、制造、测试一体化技术研究的重要意义和发展趋势。无传感器矢量控制永磁同步电机系统产品的研制成功验证了“电机研制一体化技术研究”这一新的设计理念作为产品研制的指导思想在其中所发挥的重要的作用。关键词：电机研制一体化技术协同设计1前言我们现在正处于一个科学技术飞速发展的时代，随着全球经济竞争的加剧，产品更新换代和设计制造周期的缩短以及客户化定制生产方式的形成，“研发和创新”已经成为一个科研单位在国家“制造业信息化、国防工业现代化”的发展中拥有核心竞争力、不断强大和发展的根本。长期以来，航天电机产品在本体设计、控制和驱动、制造、试验和性能测试等全生命研制周期过程中相关单位都是“各自为阵，自以为是”，相互间很少交流，只是在出现问题不得已进行“归零”时，才有可能被动地进行协作，已经严重阻碍和影响了航天电机产品的发展，从根本上无法满足高新技术的发展需求。电机产品作为航天基础技术应用领域里的单元产品，是航天系统的组成部分，那么，在新形势下，具有什么样特性的电机产品才能称之为真正意义上的具先进性的产品呢？当前的发展趋势对航天电机产品提出的要求：重量越轻越好体积越小越好结构越简单越好功能越强大越好研制周期越短越好研制成本越低越好寿命越长越好可靠性越高越好……对航天电机产品的上述看似苛刻的要求，实则是我们必须要达到的目标，只有达到如此高的要求，我们研制的产品才有可能满足新形势下航天高新技术的需求,才有可能在激烈的市场竞争中生存和发2展。那么，采取什么样的有力措施，才能使航天电机新产品的研制和开发满足当前形势的发展需求呢？首先，我们不能再像过去一样认为在“航天”这一庞大的系统中很容易被“忽视”的单元产品只有被动的等待，必须抓紧时间积极创造条件，以全新的思维和理念迎接挑战。对航天电机的本体设计、控制和驱动、制造、测试等一体化技术（简称电机研制一体化技术）进行系统研究和开发的理念将是我们所面临的首先要考虑和解决的关键问题。我们将“电机研制一体化技术研究”这一新的设计理念应用于无传感器矢量控制永磁同步电机系统产品研制的全过程、并对此进行了大量细致的工作和艰苦的努力，获得了令人满意的结果。1电机研制一体化技术研究的总体思路传统观念的航天电机设计工作仅包含电机本体的设计，只要电机本体的设计结果满足任务书要求即可，很少考虑与其紧密相关的控制与驱动、制造（工艺过程）、测试等问题，换句话说，设计考虑问题的重点只在产品全生命研制周期中的电机本体设计阶段。对于产品的全生命研制周期有句话叫做“从源头抓起”，讲得非常有道理。举例说，传统伺服系统用电磁式三相异步电机，如果仅考虑电机本体，其设计和试验结果完全满足任务书要求，曾经被评为质量标兵产品。但其起动电流是额定工作电流的4-6倍，功率为4千瓦的电机，起动电流竟高达100多安培，这在电机的频繁起动和停机过程中将会给电源带来很大的压力，稍有不慎，供电故障就会导致电机过热甚至烧毁。地面试验、重大试验时，上述故障时有发生。如果把电机产品的全生命研制周期的每一个环节（由不同的单位负责）分开来，一一单独（孤立）进行评价，产品和设备都可以达到A级水平，自我感觉良好，一旦由多个“A”级产品组成系统，整体表现却只能达到“B”级甚至只是“C”级的水平。上述问题解决的关键首先是要改变传统观念，从接到任务书开始，就要面对电机产品的全生命研制周期进行全方位的系统分析和研究，多环节、多学科协同设计。电机研制一体化技术研究总体思路见图1。3图1现代航天电机研制一体化技术研究总体思路4如果一位设计师从面对一张电机本体总装图到面对图1所示的“电机研制一体化技术研究总体思路”图，毫无疑问，设计师的设计思想将会有一个飞跃，随之诞生的将会是一个全新的设计方案。随着计算机辅助工程（简称CAE）技术和电子样机（简称DMU）技术的日渐成熟，与其相关的专业软件大量涌现，“无图纸加工”的成功应用和日渐推广，以及像北京锐峰DENOVA设计平台和TDM3000试验平台的推出【1】【2】【3】，为包括电机在内的所有航天单元产品的一体化技术研发提供了更为方便、快捷、功能强大的先进的软件产品工具的支持，将使我们的“研发和创新”工作“如虎添翼”，紧跟时代的步伐，在市场竞争中迅速壮大和发展。2电机研制一体化技术研究内容根据我们对航天电机研制过程中的工作内容进行研究、分析和总结，电机产品研制一体化技术研究的主要内容为：1）现代航天电机性能技术研究：包括电机技术特性研究、电机控制器特性研究。2）现代航天电机结构设计、工艺过程、产品检验技术研究。3）现代航天电机控制技术、控制器与电机接口参数最佳匹配技术研究。4）现代航天电机系统健康管理模式研究。5）现代航天电机测试技术研究。能够将先进设计技术、先进制造技术、先进试验技术和先进管理技术充分应用到产品全生命研制周期的各个环节中，将会使我们的研制工作突飞猛进。3电机研制一体化技术研究实施方案改变产品在电机本体，控制和驱动，制造，试验和性能测试等全生命研制周期各个环节独立设计研究的传统观念，根据任务书要求，一开始就从电机产品全生命研制周期的各个环节全方位分析和考虑应用需求和必须要解决的技术关键问题，引进相关环节协同设计的先进理念，进行电机产品研制一体化技术的系统研究。3.1现代航天电机性能技术研究航天电机的应用环境特殊，工况不同，个体间特性差异很大，电机的初始设计过程显得尤为重要和必不可少，而且这个“初始设计”，主要是验证电机的电磁设计结果，周期越短越好。首先从电机本体电磁设计、结构设计开始，在充分考虑电机系统带载能力、起动性能、运行稳定性以及温升的前提下，优化相关电机本体电磁参数，尽可能减少电机数学方程中与电机技术性能和控制特性同时相关的主要参数中的非线性因素，相关电磁参数的确定更易于与系统控制部分进行合理匹配，同时减轻控制器的压力，利于设计方案的完成和实现。合理的电机电、磁路结构设计和电磁参数的选取甚至可以起到“事半功倍”的作用。在当前，我们电机产品零件的模拟加工、电机电子样机装配和仿真试验的研究和准备工作正在进行中。无传感器矢量控制永磁同步电机系统产品研制是在经过快速初始设计确定方案后，按照简化后的工艺过程制造出实体原理样机，进行了必要的试验验证，依此为后续电机设计方案的优化和确定提供有力的支持。3.2现代航天电机结构设计、工艺过程、产品检验技术研究5现在我们已经普遍采用CAD三维绘图软件辅助电机结构设计，首先在ProE三维绘图环境中设计生成产品的三维立体模型，然后将三维图转换成二维图。采用电机研制一体化设计技术，可以纵观电机产品全生命研制周期的全过程，在产品研制的开始，就可以真正做到从“源头抓起”，在三维立体模型的绘制过程中，将工艺过程、检验过程等后续环节一起考虑，多环节协同设计，在避免许多重复劳动、节约大量时间的同时，可以有效地缩短研制周期，降低研制成本，提高产品性能和质量。3.2.1结构设计前的准备工作：●主要尺寸确定。●主要电磁材料、结构件材料、绝缘材料、电子元器件、标准件确定。●加工工艺过程确定（包括加工工装确定）。●考虑分析无图纸化检验对电机产品3D数据的相关需求。3.2.2结构设计面临的挑战和问题目前我们在这方面所面临的挑战和存在的问题是：●作为航天单元产品，先进数字化技术必须贯穿产品的全生命研制周期；●完成航天电机的模拟加工、电子样机装配和仿真试验，实现电机产品的“无图制造”。电机产品充其量也就是几百个零件，应该选择“无图制造”的有效手段，从现在就应为电机产品“无图制造”技术开始进行积极地研究和准备工作，首先能够做到在计算机内完成电机的模拟加工、电子样机装配和仿真试验。3.2.3电机产品3D设计中需要注意的问题在无图纸制造的应用中，3D几何数据贯穿整个设计与制造的流程。因此产品的3D设计是无图纸制造的基础，也是起点，如果要实现无图纸制造，所有的设计工作都要从3D开始。我们以一个电机的壳体零件作为讨论的案例。航天产品零件外形很多都是非常规的，设计师在设计机壳零件图时的原则当然是选用最简单、最快捷的绘图命令进行设计工作。因此，现在绘制电机机壳零件所选的绘图命令主要为旋转，阵列，拉伸……我们可以来看电机机壳零件的几个主要成型过程，见图3，图4，图5。图3图4图5可见，图4中的四个耳朵等是通过拉伸、阵列等命令完成的，底座是后装配上去的。机壳零件在实际加工中的工艺过程与设计过程并非完全一致。其主要几个工艺过程见图6，图7，图8。6图6图7图8在实际工程中只有零件的3D数据与零件的真实加工过程完全一致，一一对应，才能生成有实用价值的加工程序，模拟加工、电子虚拟样机装配及仿真试验才能具有实际意义和参考价值，工艺师才无需对此再进行重复劳动，可以将设计完成的零件3D数据直接生成加工程序。3.2.4考虑分析无图纸化检验对电机产品3D数据的相关需求要实现电机产品的真正无图纸制造，我们还需要注意一个重要环节，即产品检验的无图纸化，这也是我们往往容易忽略的一个环节。在电机产品的立体模型生成过程中，同时考虑使用ProE直接在3D模型上标注出常规的尺寸和公差，采集测量的数据点，为电机产品的无图纸化检验创造有利条件，提供有力支持。3.3现代航天电机控制技术、控制器与电机接口参数最佳匹配技术研究目前在电机研制行业,大家都认为技术发展的重点和难度集中在电机系统的“控制与驱动”部分，从而忽视对电机本体的研究。但是电机的控制技术尤其是现代智能控制技术均需要基于“电机数学模型”，是需要通过电机方程计算得到所需要的控制参数，与“电机方程”内所包含的电机的电磁场参数、电磁路结构尺寸等等都有着密切的关系，电机电磁场参数的优化研究与突破直接影响到电机控制与驱动技术从理论、仿真等实验室研究推进到有适用价值的工程研制。随着各种新的控制理论的提出，以及计算机技术、微电子技术和电力电子技术的飞速发展，具有高速处理能力的微处理器的研制成功，计算速度不再是限制电机控制与驱动技术复杂算法的瓶颈，电机控制与驱动技术已经日渐成熟，通过对传统的电机磁路结构进行优化设计，从研究电机本体、优化电磁场参数入手，考虑分析电机控制器相关参数，同时对电机与电机控制器接口参数进行研究，电机本体与电机控制器“协同”设计解决问题，我们“航天用无传感器矢量控制永磁同步电机系统”一次性研制成功就是一个成功的案例。3.4现代航天电机测试技术研究现代航天电机产品的设计和制造完成后，试验是验证产品功能和性能的过程，是检验设计的手段，是确认验证设计方案正确性的重要环节。而试验手段的重要性不言而喻，直接关系到试验结果的准确性、完整性和快速性。3.4.1电机产品试验基本过程现代航天电机产品试验基本过程见图9。7图9现代航天电机产品试验基本过程3.4.2电机产品测试目前存在的问题像其它产品一样，电机产品性能测试的准备工作往往需要耗费大量的时间，无论是在试验方案阶段，还是在试验的准备阶段，都非常地耗费时间和精力。主要表现在以下几个方面：1）具有先进功能的试验设备、测试仪器匮乏。2）现有试验设备、测试仪器共享率低。3）先进仪器购买成本高，经费不足。4）受试验设备、测试仪器和试验手段的限制，有些重要项目的试验无法完成或者无法准确完成；5）试验数据采集还需要人工干预，试验数据很难完整记录。比如，我们在无传感器矢量控制永磁同步电机系统产品性能测试过程中，有时还需要通过手记、拍照、录像来协助试验数据的记录。3.4.3对现代测试技术的应用需求结合多年来航天电机产品试验和性能测试现状和现代化、数字化测试技术的迅速发展，就可以看出目前的产品测试，无论是在方法上还是手段上与世界前沿技术相比较，都存在较大的差距，这在很大程度上受到本文3.4.2所述1）2）3）内容的限制。航天电机系统产品测试中亟需：●全面掌握试验的全过程；