談雙余度電動(dòng)舵機(jī)的余度策略及工程實(shí)現(xiàn)

肖鵬斌

（海軍裝備部，甘肅　蘭州　730070）

談雙余度電動(dòng)舵機(jī)的余度策略及工程實(shí)現(xiàn)

肖鵬斌

（海軍裝備部，甘肅蘭州730070）

舵機(jī)作為飛控系統(tǒng)的執(zhí)行部件，它的故障直接影響飛行系統(tǒng)的正常工作，采用多余度舵機(jī)能有效提升改進(jìn)飛控系統(tǒng)性能、提高飛行可靠性、安全性。本論述首先簡(jiǎn)要討論了余度綜合形式、余度管理方式及舵機(jī)的傳動(dòng)方式等余度策略，然后以DD16型雙余度電動(dòng)舵機(jī)為例，從工作原理出發(fā)，討論了余度策略、余度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及可靠性設(shè)計(jì)，從工程實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，對(duì)余度綜合形式、余度管理方式及優(yōu)化設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容展開(kāi)了討論。

雙余度；電動(dòng)舵機(jī)；余度策略；工程實(shí)現(xiàn)

1　余度綜合形式

目前雙余度舵機(jī)主要采用以下三種綜合形式：磁通綜合、力矩綜合和速度綜合。

1.1磁通綜合

磁通綜合方式一般采用一臺(tái)雙繞組電機(jī)作為舵機(jī)動(dòng)力源，采用雙控制器，一個(gè)控制器控制一個(gè)繞組，構(gòu)成雙通道。其特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)電機(jī)兩個(gè)繞組的磁通進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)磁通綜合輸出方式。通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)通道中的故障情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)有效的故障隔離。允許一次故障工作。

其工作原理框圖見(jiàn)圖1所示。

圖1　磁通綜合工作原理框圖

1.2力矩綜合

力矩綜合方式由兩套獨(dú)立的單電機(jī)控制系統(tǒng)組成，其特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的力矩進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)力綜合輸出方式。通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)通道中的故障情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)有效的故障隔離。允許一次故障工作。

其工作原理框圖見(jiàn)圖2所示。

圖2　力矩綜合工作原理框圖

1.3速度綜合

速度綜合方式由兩套獨(dú)立的單電機(jī)控制系統(tǒng)組成，其特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的速度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)速度綜合輸出方式。通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)通道中的故障情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)有效的故障隔離。允許一次故障工作。

其工作原理框圖見(jiàn)圖3所示。

圖3　速度綜合工作原理框圖

2　余度管理方式

雙余度舵機(jī)的余度管理根據(jù)運(yùn)行方式的不同，可分為主動(dòng)并列運(yùn)動(dòng)和備用轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)。

2.1主動(dòng)并列式運(yùn)動(dòng)

主動(dòng)并列式運(yùn)動(dòng)是指正常狀態(tài)下，兩個(gè)通道同時(shí)工作；當(dāng)其中一個(gè)通道出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)停止故障通道的工作，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入到單通道工作方式。

由于主動(dòng)并列式運(yùn)動(dòng)時(shí)，三種余度綜合形式中的兩個(gè)電機(jī)是同時(shí)工作的，解決兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作引起的平衡問(wèn)題是這種余度管理方式的難點(diǎn)。

2.2備用轉(zhuǎn)換式運(yùn)動(dòng)

備用轉(zhuǎn)換式運(yùn)動(dòng)是指正常狀態(tài)下，只有一個(gè)通道工作；當(dāng)該通道出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷該通道的工作，進(jìn)入到另一通道的工作。

3　電動(dòng)舵機(jī)的幾種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

（1）圓柱、圓錐齒輪傳動(dòng)

圓柱、圓錐齒輪傳動(dòng)是最常見(jiàn)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，制造簡(jiǎn)單方便，效率高，但實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比時(shí)，體積大。

（2）行星齒輪傳動(dòng)

行星齒輪傳動(dòng)在實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比時(shí)，體積較小，但要求加工精度高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，效率較低。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家較少。

（3）諧波齒輪傳動(dòng)

諧波齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較前兩項(xiàng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)比較，在相同傳動(dòng)比的情況下，具有體積最小、傳動(dòng)精度最高、傳動(dòng)最平穩(wěn)、同軸性好等優(yōu)點(diǎn)，且密閉性好，但傳動(dòng)效率較低，輸入轉(zhuǎn)速不能太高。

（4）滾珠絲杠傳動(dòng)

滾珠絲杠傳動(dòng)是目前較先進(jìn)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其傳動(dòng)精度、效率均高于齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)比大，自鎖力矩小。輸出方式為線位移輸出。

4　DD16型雙余度電動(dòng)舵機(jī)的工作原理及余度策略

4.1工作原理

DD16型雙余度電動(dòng)舵機(jī)是某型飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)飛控系統(tǒng)接通后，伺服控制器1（或2）開(kāi)始工作，此時(shí)，電磁離合器1（或2）接通，無(wú)刷電機(jī)1（或2）接收伺服控制器1（或2）的控制信號(hào)，經(jīng)電磁離合器1（或2）及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)輸出軸按控制指令轉(zhuǎn)動(dòng)到規(guī)定位置，同時(shí)測(cè)速機(jī)1（或2）、電位計(jì)1A、1B（或2A、2B）將電機(jī)速度和輸出軸角位置信號(hào)反饋至伺服控制器1（或2），使伺服控制器1（或2）完成對(duì)舵機(jī)的監(jiān)控和控制任務(wù)。

DD16型雙余度電動(dòng)舵機(jī)工作原理框圖見(jiàn)圖4所示。

圖4DD16型電動(dòng)舵機(jī)原理框圖

4.2余度策略

DD-16型雙余度電動(dòng)舵機(jī)由兩個(gè)通道構(gòu)成，每個(gè)通道均由一個(gè)無(wú)刷電機(jī)、一個(gè)測(cè)速機(jī)、一個(gè)電磁離合器、一個(gè)雙聯(lián)電位計(jì)組成，同時(shí)舵機(jī)的伺服控制器也由兩個(gè)組成，一個(gè)伺服控制器控制一個(gè)通道。

該電動(dòng)舵機(jī)采用備用轉(zhuǎn)換式運(yùn)動(dòng)的余度管理方式。當(dāng)飛控系統(tǒng)工作正常時(shí)，伺服控制器1（或2）控制舵機(jī)的通道1（或2）正常工作，此時(shí)通道2（或1）不工作；當(dāng)通道1（或2）發(fā)生故障時(shí)，飛控系統(tǒng)自動(dòng)切斷該故障通道，進(jìn)入到通道2（或1）工作，從而實(shí)現(xiàn)一次故障工作。

4.3余度設(shè)計(jì)

雙余度電動(dòng)舵機(jī)采用備用轉(zhuǎn)換式運(yùn)動(dòng)的余度管理方式。舵機(jī)具有兩個(gè)通道，每個(gè)通道均由一個(gè)無(wú)刷電機(jī)、一個(gè)測(cè)速機(jī)、一個(gè)電磁離合器、一個(gè)雙聯(lián)電位計(jì)組成。兩個(gè)通道之間通過(guò)電磁離合器進(jìn)行切換。當(dāng)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)接通后，先由通道1承擔(dān)伺服任務(wù)，此時(shí)，電磁離合器1接通工作，電磁離合器2斷開(kāi)；伺服任務(wù)由通道1單獨(dú)完成；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到通道1故障后，將進(jìn)行通道切換，將伺服任務(wù)切換到通道2，接通電磁離合器2，并斷開(kāi)電磁離合器1，將通道1隔離，實(shí)現(xiàn)一次故障工作。

4.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.4.1舵機(jī)動(dòng)力源

該型雙余度電動(dòng)舵機(jī)動(dòng)力源采用永磁無(wú)刷直流電機(jī)，該類型電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）具有直流電機(jī)那樣的優(yōu)良特性，轉(zhuǎn)速和效率都較高；

（2）由直流電源供電，沒(méi)有電刷和換向器，不會(huì)造成磨損和產(chǎn)生電火花，這一性能提高了產(chǎn)品的電磁兼容性、使用壽命和可靠性；

（3）電機(jī)沒(méi)有換向器，長(zhǎng)時(shí)間不易氧化，適用長(zhǎng)期儲(chǔ)存。

4.4.2減速器

雙余度電動(dòng)舵機(jī)減速器采用漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)，該類型齒輪傳動(dòng)效率高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、靈活。齒輪材料選用不銹鋼4Cr13和2Cr13，表面采用表面淬火和硫氮共滲表面處理工藝，以提高齒輪的強(qiáng)度和抗磨損能力，延長(zhǎng)減速器齒輪工作壽命。

為減小舵機(jī)的體積和重量，減速器采用四級(jí)減速，減速比為720。

4.4.3電磁離合器

雙余度電動(dòng)舵機(jī)的電磁離合器是控制舵機(jī)接入工作和斷開(kāi)工作的控制機(jī)構(gòu)，也是舵機(jī)余度切換的裝置。當(dāng)電磁離合器1（或2）接通，電磁離合器2（或1）未接通時(shí)，通道1（或2）工作，通道2（或1）不工作，此時(shí)將電機(jī)1（或2）的動(dòng)力經(jīng)過(guò)減速器輸出到輸出軸上；當(dāng)電磁離合器1、2均未接通時(shí)，舵機(jī)輸出軸處于自由狀態(tài)，此時(shí)可由人工操縱。

電磁離合器同時(shí)也是舵機(jī)的安全裝置，通過(guò)控制電磁離合器，可在任何情況下自動(dòng)或人工切除自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)，改為人工操縱。

為了確保電磁離合器有足夠的負(fù)載能力，同時(shí)能夠可靠分離，電磁離合器選用梯形齒牙嵌式離合器，通電后產(chǎn)生的電磁力使離合器的輸入與輸出端吸合，斷電后通過(guò)返回彈簧將輸入與輸出端分離。通過(guò)調(diào)整電磁鐵的氣隙，可使其吸合電壓不大于22 V，釋放電壓大于1 V。

4.4.4摩擦離合器

雙余度電動(dòng)舵機(jī)的摩擦離合器安裝在輸出軸端，處于舵機(jī)傳動(dòng)系的末端，這樣就消除了中間環(huán)節(jié)可能造成摩擦打滑失效的故障模式。

摩擦離合器是舵機(jī)的安全裝置，其作用在于：當(dāng)兩個(gè)通道同時(shí)出現(xiàn)故障，且無(wú)法斷電，也無(wú)法脫開(kāi)電磁離合器時(shí)，可人工強(qiáng)力操縱，確保飛控系統(tǒng)受控。

4.4.5角位置傳感器

雙余度電動(dòng)舵機(jī)的角位置傳感器采用兩個(gè)雙聯(lián)導(dǎo)電塑料電位計(jì)，其作用在于當(dāng)其中任意一聯(lián)的電位計(jì)出現(xiàn)故障時(shí)，飛控系統(tǒng)仍可通過(guò)其他3聯(lián)電位計(jì)的信號(hào)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)一次故障工作。

該電位計(jì)分辨率高、線性度好，且工作可靠、壽命長(zhǎng)。

4.4.6速度傳感器

速度反饋傳感器的作用在于給伺服控制器提供電機(jī)的速度反饋，以提高伺服控制器的控制品質(zhì)。

4.4.7行程開(kāi)關(guān)

行程開(kāi)關(guān)用于限制自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的控制權(quán)限，由微動(dòng)開(kāi)關(guān)和相關(guān)機(jī)構(gòu)（凸輪等）組成。當(dāng)舵機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)角超出限制范圍時(shí)，凸輪機(jī)構(gòu)即可觸動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，使系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施。

4.5優(yōu)化設(shè)計(jì)

在保證舵機(jī)性能要求的前提下，簡(jiǎn)化舵機(jī)結(jié)構(gòu)，盡可能實(shí)現(xiàn)零、組、部件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化與通用化，控制非標(biāo)零、組、部件的比例，優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)化的材料、緊固件和輔助材料，減少標(biāo)準(zhǔn)件、緊固件及元器件的規(guī)格及品種，盡可能采用經(jīng)過(guò)實(shí)際考核的零、組、部件；設(shè)計(jì)時(shí)考慮了整體結(jié)構(gòu)的合理性，選用典型結(jié)構(gòu)，保證產(chǎn)品中零組件受力均勻，避免應(yīng)力集中。

4.6耐環(huán)境設(shè)計(jì)

舵機(jī)在實(shí)際使用時(shí)可能會(huì)遇到惡劣環(huán)境或人為錯(cuò)誤的影響，為防止此類情況給產(chǎn)品帶來(lái)的損害，在設(shè)計(jì)時(shí)采用以下的防護(hù)設(shè)計(jì)措施：

（1）所用電連接器、導(dǎo)線具有足夠的電負(fù)荷余量，可防止瞬態(tài)浪涌和過(guò)電流造成的損壞；

（2）設(shè)計(jì)時(shí)考慮了“三防”。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)避免允許濕氣積存的結(jié)構(gòu)形狀，避免電偶腐蝕；零件所用金屬材料選用耐腐蝕的不銹鋼、鋁合金和銅等材料，并對(duì)零件表面進(jìn)行氧化處理，緊固件選用耐腐蝕不銹鋼材料，防止電化學(xué)腐蝕；采用退火等熱處理方法，減低金屬或合金對(duì)于應(yīng)力腐蝕的敏感性；電連接器選用外殼為復(fù)合材料的產(chǎn)品，以滿足舵機(jī)抗鹽霧能力；選用不長(zhǎng)霉的材料，舵機(jī)殼體表面噴涂三防漆進(jìn)行保護(hù)；

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了振動(dòng)應(yīng)力的影響，保證元器件、零組件的安裝剛性，盡量縮短引線的長(zhǎng)度，且連接導(dǎo)線采取固定縮緊措施，緊固件均用彈簧墊圈或螺紋縮緊膠鎖緊。

4.7電磁兼容性設(shè)計(jì)

（1）舵機(jī)裝配時(shí)，在殼體結(jié)合面涂導(dǎo)電密封膠進(jìn)行密封，同時(shí)在殼體上保留搭鐵部位，防止電磁泄露；

（2）在傳輸導(dǎo)線上采用磁珠吸收電磁波，以消除對(duì)外界干擾；

（3）引出殼體的導(dǎo)線通過(guò)饋通濾波器連接。

5　結(jié)束語(yǔ)

DD16型雙余度電動(dòng)舵機(jī)通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)，其余度設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)切實(shí)可行，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合使用要求，穩(wěn)定可靠，有效驗(yàn)證了雙余度策略在舵機(jī)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵作用。

［1］ Rik De Doncker.先進(jìn)電氣驅(qū)動(dòng)的分析、建模與控制［M］.連曉峰，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［2］ 吳森堂.飛行控制系統(tǒng)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

［3］ 詹紀(jì)鴻.電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)［M］.上海.上海科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

［4］ 劉冠志.雙余度舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微電機(jī)，2010（01）.

［5］ 李幼涵.運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京.北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

［6］ 奧博連斯基.航空舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)引論［M］.北京：中航出版?zhèn)髅接邢挢?zé)任公司，2013.

V242

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.04.006

2016-2-15

肖鵬斌（1983-），男，湖南永州人，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：質(zhì)量監(jiān)督及可靠性工程研究。