艦船用新型高效低噪電動(dòng)舵機(jī)技術(shù)研究

陳俊杰，馬德森，汪遠(yuǎn)銀，趙國(guó)平，姜麗婷，韓 旭

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

0 引 言

降低噪聲、提高聲隱身性能已成為當(dāng)今世界艦船設(shè)計(jì)中的一場(chǎng)革命[1]，操舵裝置是控制航向和姿態(tài)的重要安全設(shè)備，傳統(tǒng)液壓操舵裝置由于自身系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷，存在噪聲大、效率低以及可靠性差等固有缺點(diǎn)[2–4]。隨著液壓技術(shù)向高壓、高速、大流量、高功率發(fā)展，液壓系統(tǒng)噪聲問(wèn)題更加突出。就艦船液壓系統(tǒng)而言，更加注重設(shè)備的低噪聲特性[5]。解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵是摒棄傳統(tǒng)液壓舵機(jī)“集中供油，功率液傳”的設(shè)計(jì)思想，研制新型的功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)，以減少或取消液壓管路，抑制機(jī)械振動(dòng)和液壓沖擊的傳播，減少液壓系統(tǒng)的節(jié)流和溢流作用，在降低高頻噪聲的同時(shí)提高能源利用率[6]。

目前，主流的功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)解決方案有機(jī)電作動(dòng)器（Electro-Mechanical Actuator）和電液作動(dòng)器（Electro-Hydraulic Actuator）2 個(gè)方向[7]。英國(guó)海軍研制了用于水面艦船及潛艇舵面控制的電動(dòng)舵機(jī)，通過(guò)在23型護(hù)衛(wèi)艦上進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試，證明其具有噪聲低、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單、耗能少等優(yōu)點(diǎn)[8]。

基于電動(dòng)舵機(jī)的上述優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種艦船用新型電動(dòng)舵機(jī)方案，并開(kāi)展樣機(jī)的可靠性和減振降噪設(shè)計(jì)，進(jìn)行性能試驗(yàn)和振動(dòng)噪聲測(cè)試試驗(yàn)，以掌握其操縱性能和振動(dòng)噪聲水平。

1 電動(dòng)舵機(jī)方案

1.1 電動(dòng)舵機(jī)原理

電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)由控制驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和減速傳動(dòng)裝置及位置傳感器等構(gòu)成。根據(jù)操控系統(tǒng)發(fā)出的指令，由控制驅(qū)動(dòng)器根據(jù)指令信號(hào)分析運(yùn)算，輸出相應(yīng)的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)經(jīng)減速傳動(dòng)裝置帶動(dòng)作動(dòng)桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)位置傳感器反饋形成位置閉環(huán)的伺服系統(tǒng)，如圖1所示。

1.2 電動(dòng)舵機(jī)方案

圖2所示為艦船用新型電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)示意圖，該舵機(jī)主要由控制驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、行星滾柱絲杠減速傳動(dòng)裝置及線纜等組成。電機(jī)通過(guò)行星滾柱絲杠，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，從而推拉舵桿、舵柄，使舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)，改變船舶的航向。

圖2 電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)圖Fig.2 The system diagram of the electro-mechanical actuator

該電動(dòng)舵機(jī)的主要性能指標(biāo)如表1所示，額定輸出推力300 kN。為達(dá)到上述指標(biāo)，伺服電機(jī)選擇了永磁同步電機(jī)，減速傳動(dòng)裝置核心零部件選擇行星滾柱絲杠。其主要參數(shù)如表2所示。

表1 電動(dòng)舵機(jī)主要性能指標(biāo)Tab.1 Main parameter of the electro-mechanical actuator

表2 電動(dòng)舵機(jī)的基本配置Tab.2 Basic configuration of the electro-mechanical actuator

艦船操控系統(tǒng)將控制信號(hào)通過(guò)CAN數(shù)字總線或模擬傳輸線傳送至控制驅(qū)動(dòng)器?？刂乞?qū)動(dòng)器接收舵葉擺角指令，反饋狀態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)行閉環(huán)控制算法，控制電動(dòng)舵機(jī)按要求動(dòng)作，最終達(dá)到控制艦船舵葉姿態(tài)的目的。同時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)器將各單機(jī)狀態(tài)信息實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)CAN總線或模擬傳輸線發(fā)送回艦船操控系統(tǒng)，由此完成自檢、測(cè)試功能?？刂乞?qū)動(dòng)器通過(guò)控制芯片及傳感器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)舵機(jī)位移三環(huán)的閉環(huán)控制，如圖3所示。當(dāng)操控臺(tái)發(fā)送位置指令時(shí)，控制驅(qū)動(dòng)器調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和需要的電流，以維持在指定位置。

圖3 電動(dòng)舵機(jī)控制框圖Fig.3 Control diagram of the electro-mechanical actuator

2 電動(dòng)舵機(jī)研制

2.1 高可靠性減速傳動(dòng)裝置

電動(dòng)舵機(jī)的減速傳動(dòng)裝置采用直線一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，主要由行星滾柱絲杠、支撐組件和其他直屬件等組成。伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)行星滾柱絲杠轉(zhuǎn)換為作動(dòng)桿直線伸縮運(yùn)動(dòng)，不需要另添加中間齒輪減速箱，能夠有效降低系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲，并減少故障環(huán)節(jié)，提高整體可靠性。

行星滾柱絲杠與滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于行星滾柱絲杠載荷傳遞元件為螺紋滾柱，是典型的線接觸；而滾珠絲杠載荷傳遞元件為滾珠，是點(diǎn)接觸，因此行星滾柱絲杠有眾多的螺紋接觸線來(lái)支撐負(fù)載，承載力大，且兼具更高的抗沖擊能力。

行星滾柱絲杠和支撐軸承的潤(rùn)滑采用定期加注潤(rùn)滑脂的方式，改善行星滾柱絲杠副和支撐軸承的運(yùn)行環(huán)境，延長(zhǎng)使用壽命。

減速傳動(dòng)裝置采用增加輔助支撐的方式提高可靠性。作動(dòng)桿由于舵面所受的工況比較復(fù)雜，易產(chǎn)生不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)和不同頻率的振動(dòng)，從而發(fā)生噪聲現(xiàn)象。作動(dòng)桿在承受來(lái)自舵面的軸向力后容易產(chǎn)生徑向分力，而作動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)行程又比較長(zhǎng)，這時(shí)輔助徑向支撐就很重要，能夠有效的降低作動(dòng)桿承受的彎矩。

電動(dòng)舵機(jī)一體化高可靠性結(jié)構(gòu)如圖4所示。該結(jié)構(gòu)具有以下幾方面特點(diǎn):

1）伺服電機(jī)、減速傳動(dòng)裝置形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，取消了齒輪減速箱環(huán)節(jié)，大大減小了電動(dòng)舵機(jī)的體積和重量。

2）伺服電機(jī)殼體、減速傳動(dòng)裝置殼體之間相互連接，形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)件，提高了組件之間的連接強(qiáng)度和承載能力。

3）該結(jié)構(gòu)要求各組件殼體為同一種材料，尤其在高低溫環(huán)境下材料特性能夠保持高度一致。

圖4 一體化本體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The scheme of incorporate configuration

2.2 高效低噪伺服電機(jī)

伺服電機(jī)是電動(dòng)舵機(jī)的重要?jiǎng)恿υＫ欧姍C(jī)需全工況變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，低噪聲電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造至關(guān)重要。艦船舵面負(fù)載一般幾噸到幾十噸不等甚至更多，同時(shí)工作時(shí)間一般較長(zhǎng)，另外對(duì)于整機(jī)系統(tǒng)減振降噪要求相對(duì)較高。針對(duì)上述問(wèn)題，考慮到艦船打舵速度要求不高，將承載大、低脈動(dòng)、可大力矩長(zhǎng)時(shí)工作的永磁同步電機(jī)視為首選。

1）永磁同步電機(jī)減振降噪設(shè)計(jì)

為了更好的實(shí)現(xiàn)減振降噪，伺服電機(jī)設(shè)計(jì)采用了PMSM永磁同步電機(jī)技術(shù)。在設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化齒槽設(shè)計(jì)，從源頭上降低了電機(jī)自身的振動(dòng)噪聲。

2）永磁同步電機(jī)可靠性設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了產(chǎn)品的可靠性，采取了大量提高產(chǎn)品可靠性的措施，具體如下：

①轉(zhuǎn)子軛采用多邊形結(jié)構(gòu)，確保永磁體緊固性。

②采用帶有防塵蓋的深溝球軸承，并嚴(yán)格控制軸承軸向、徑向游隙，同時(shí)裝配前電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，防止電機(jī)轉(zhuǎn)子卡死；對(duì)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，確保電機(jī)能夠可靠承受工作應(yīng)力。

③優(yōu)化熱設(shè)計(jì)，調(diào)整定子鐵心的結(jié)構(gòu)尺寸、增加槽面積來(lái)增加繞組股數(shù)以降低繞組線圈電流密度，減少發(fā)熱，并采用耐熱導(dǎo)線、磁鋼和絕緣材料等確保伺服電機(jī)能夠可靠承受工作中產(chǎn)生的熱量，不致燒毀。

2.3 變?cè)鲆娓呔瓤刂扑惴?/h3>

當(dāng)電動(dòng)舵機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，正常情況下，采用數(shù)字通信模式，一旦模擬通信開(kāi)關(guān)被觸發(fā)，則模擬通信指令優(yōu)先級(jí)大于數(shù)字通信指令，電動(dòng)舵機(jī)控制舵面按照模擬通信指令要求動(dòng)作。電動(dòng)舵機(jī)在熱備份狀態(tài)，可迅速切換至工作狀態(tài)；在工作狀態(tài)，可通過(guò)完備的通信系統(tǒng)進(jìn)行位置指令的接收。

不同通信方式切換所帶來(lái)的電機(jī)速度突變抖動(dòng)問(wèn)題亟待解決，電壓隨著艦船上用電設(shè)備的動(dòng)態(tài)變化而大范圍波動(dòng)，也是電機(jī)速度突變抖動(dòng)的一個(gè)原因，因此，變電壓力矩電機(jī)穩(wěn)速方法變得尤為重要。具體技術(shù)由以下幾個(gè)方面：

1）不同通信模式切換下的電機(jī)速度無(wú)縫切換技術(shù)

數(shù)字控制采用位置控制，模擬控制采用速度控制，模擬控制的優(yōu)先級(jí)高。當(dāng)數(shù)字控制向模擬控制切換時(shí)，通過(guò)捕捉當(dāng)前速度，由位置環(huán)控制直接切換到速度環(huán)控制，保持速度穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)模式切換下的電機(jī)速度無(wú)縫切換。

2）寬范圍電壓動(dòng)態(tài)變化條件下的電機(jī)PI參數(shù)自適應(yīng)技術(shù)

除了船舶在高速工況外，凡航行工況下使用的設(shè)備其電壓變化范圍為 175 ～320 V 或者 370～640 V[9]。本文研究的新型電動(dòng)舵機(jī)所考慮的范圍是后者，即研究直流供電電壓在370 ～640 V范圍內(nèi)變化時(shí)，電機(jī)工作特性變化情況及其對(duì)操舵裝置性能的影響。

通過(guò)電壓分段線性擬合的方法，自適應(yīng)尋找不同電壓下的電流環(huán)PI參數(shù)，通過(guò)電流環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，使電機(jī)的速度穩(wěn)定無(wú)抖動(dòng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合。

3）高精度快響應(yīng)無(wú)沖擊的伺服控制算法技術(shù)

其核心是采用磁場(chǎng)定向控制算法。在電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)均采用了帶抗積分飽和的PID控制算法。通過(guò)調(diào)節(jié)比例系統(tǒng)P、積分系數(shù)I及抗積分飽和系數(shù)，使系統(tǒng)控制指標(biāo)達(dá)到了快速穩(wěn)定無(wú)超調(diào)。同時(shí)對(duì)輸入指令采用斜坡算法，避免了輸入指令變化太大的沖擊。

通過(guò)以上參數(shù)的相互匹配，最終達(dá)到了最大負(fù)載換向時(shí)電流無(wú)沖擊，最大速度時(shí)速度換向無(wú)沖擊，到達(dá)指定位置時(shí)無(wú)超調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)在各種工況進(jìn)行時(shí)平穩(wěn)無(wú)沖擊無(wú)振動(dòng)。

2.4 電動(dòng)舵機(jī)樣機(jī)研制

圖5 電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)樣機(jī)Fig.5 The prototype of electro-mechanical actuator

3 電動(dòng)舵機(jī)性能試驗(yàn)

3.1 加載模擬試驗(yàn)裝置

加載模擬試驗(yàn)裝置主要為電動(dòng)舵機(jī)提供模擬負(fù)載，以測(cè)試其帶載工況下的具體性能特性。

加載模擬試驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)臺(tái)、液壓缸、伺服閥、液壓泵和電動(dòng)機(jī)、蓄能器、冷卻系統(tǒng)、油源及傳感器等構(gòu)成。電動(dòng)舵機(jī)在加載試驗(yàn)臺(tái)安裝如圖6所示。

圖6 電動(dòng)舵機(jī)加載裝置Fig.6 The electro-mechanical actuator loading device

3.2 加載模擬試驗(yàn)方法

負(fù)載模擬試驗(yàn)在伺服控制功能、電機(jī)可靠性驗(yàn)證、傳動(dòng)裝置關(guān)鍵件疲勞壽命、舵機(jī)裝置效率及振動(dòng)噪聲測(cè)試等多個(gè)方面進(jìn)行考核。電動(dòng)舵機(jī)加載模擬試驗(yàn)如圖7所示。

圖7 電動(dòng)舵機(jī)加載模擬試驗(yàn)Fig.7 Loading simulation test of the electro-mechanical actuator

1）負(fù)載試驗(yàn)

調(diào)整加載系統(tǒng)，使舵機(jī)按最大工作力（30 t）的25%、50%、75%、100%的負(fù)載工作，在上述各種工況下，電動(dòng)舵機(jī)輪流在行程范圍內(nèi)操舵輸入幅值為+150 mm的階躍位置指令信號(hào)，觀察其實(shí)際位移輸出。

由圖8試驗(yàn)結(jié)果可知，在規(guī)定的行程范圍內(nèi)，電動(dòng)舵機(jī)樣機(jī)從位置0 mm到位置+150 mm的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為5 s，由此可知，電動(dòng)舵機(jī)最大平均速度為30 mm/s，由樣機(jī)在穩(wěn)定位置輸出可知，樣機(jī)的穩(wěn)態(tài)最大誤差為±0.5 mm。舵機(jī)速度和穩(wěn)態(tài)誤差經(jīng)過(guò)位移與舵角換算，均能滿足艦船用電動(dòng)舵機(jī)的操縱性要求。

圖8 電動(dòng)舵機(jī)階躍位移響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 The test results of step displacement response

同時(shí)，電動(dòng)舵機(jī)位置保持過(guò)程中，電機(jī)低速待機(jī)，具有發(fā)熱小、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。

2）耐久性試驗(yàn)

為快速評(píng)定電動(dòng)舵機(jī)的可靠性指標(biāo)，耐久性試驗(yàn)采用了加速試驗(yàn)的方案，通過(guò)強(qiáng)化試驗(yàn)條件，以便在較短的時(shí)間內(nèi)獲得必要數(shù)據(jù)，來(lái)評(píng)估電動(dòng)舵機(jī)正常條件下的可靠性或壽命指標(biāo)。

再好的目標(biāo)都需要行動(dòng)去實(shí)現(xiàn)。目標(biāo)不能僅僅停留在口頭上，目標(biāo)需要腳踏實(shí)地的行動(dòng)，只有這樣，才能推動(dòng)目標(biāo)的達(dá)成。

耐久性試驗(yàn)共按4個(gè)周期，每個(gè)周期7天。每天24 h 一個(gè)典型工況（6 t、9 t、10 t、12 t、15 t、25 t、30 t），每個(gè)工況無(wú)間斷運(yùn)行24 h，考慮舵機(jī)實(shí)際工作存在反操縱力，負(fù)載模擬曲線設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 負(fù)載模擬曲線特性圖Fig.9 Characteristic curve chart of loading simulation

按照該曲線加載，試驗(yàn)結(jié)果表明，電動(dòng)舵機(jī)最終達(dá)到了最大負(fù)載換向時(shí)電流無(wú)沖擊，最大速度時(shí)速度換向無(wú)沖擊，到達(dá)指定位置時(shí)無(wú)超調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)在各種工況進(jìn)行時(shí)平穩(wěn)無(wú)沖擊無(wú)振動(dòng)。聯(lián)試過(guò)程中，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)在控制驅(qū)動(dòng)器的控制下，運(yùn)行精準(zhǔn)、平穩(wěn)。

試驗(yàn)過(guò)程對(duì)伺服電機(jī)、減速傳動(dòng)裝置、控制驅(qū)動(dòng)器的溫度每隔半小時(shí)進(jìn)行采集，各項(xiàng)溫度監(jiān)測(cè)平均值如表3所示。

表3 電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)平均溫度統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Average temperature of electro-mechanical actuator

由表3可以看出，隨著航速的不斷提高，電動(dòng)舵機(jī)各部件表面的溫度呈上升趨勢(shì)，最大負(fù)載下，電機(jī)、控制器、傳動(dòng)裝置等溫升比環(huán)境溫度高出近20 ℃，均在正常工作范圍內(nèi)。

3）舵機(jī)裝置效率測(cè)試

根據(jù)旋轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中功率不變的原則，有式（1）所示，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速與絲杠線位移關(guān)系有式（2）所示。

式中：F為加載力；v為電動(dòng)舵機(jī)線位移速度；T為伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；n為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速；η為效率；p為導(dǎo)程。

伺服電機(jī)相電流峰值Iq與輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為電機(jī)固有值，通過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的電機(jī)相電流峰值Iq可知其輸出轉(zhuǎn)矩T的大小。液壓加載臺(tái)液壓缸與電動(dòng)舵機(jī)之間安裝有拉壓力傳感器，用以檢測(cè)液壓缸的實(shí)時(shí)加載力F。

由式（1）、式（2）可得舵機(jī)裝置效率計(jì)算公式如式（3）所示。

因此，實(shí)時(shí)讀取任意位移的加載力及伺服電機(jī)相電流，可以計(jì)算得到舵機(jī)裝置的效率。耐久性試驗(yàn)過(guò)程中，加載力6～30t的范圍內(nèi)，舵機(jī)裝置效率在65%～75%之間波動(dòng)。

4）振動(dòng)噪聲測(cè)試

電動(dòng)舵機(jī)的振動(dòng)加速度級(jí)測(cè)量方法[10]如下：

①將電動(dòng)減速傳動(dòng)裝置剛性固定在公共基座上，測(cè)點(diǎn)分別固定于電動(dòng)舵機(jī)機(jī)腳面板上緊固螺栓處、前后兩端軸承頂部、負(fù)載模擬系統(tǒng)機(jī)腳（位于舵桿軸線下方）、導(dǎo)向連接機(jī)構(gòu)上等，以上測(cè)點(diǎn)測(cè)量xyz三個(gè)方向振動(dòng)。

②空氣噪聲測(cè)量點(diǎn)距離電動(dòng)舵機(jī)、模擬負(fù)載、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)均為1 m，位于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上方正對(duì)舵軸位置。

③根據(jù)振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在10～8 kHz頻域范圍內(nèi)，在相同工況下及測(cè)量點(diǎn)，新型電動(dòng)舵機(jī)機(jī)腳處的總級(jí)優(yōu)于原液壓操舵裝置10～15 dB，空氣噪聲測(cè)量結(jié)果≤65 dB。由此可見(jiàn)，電動(dòng)舵機(jī)在減振降噪上取得了明顯的效果，并實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)在各種工況進(jìn)行時(shí)平穩(wěn)無(wú)沖擊無(wú)振動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從降低艦船操舵系統(tǒng)噪聲角度出發(fā)，提出了一種新型電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，從原理上降低了系統(tǒng)噪聲，結(jié)合各單機(jī)零部件的可靠性與減振降噪設(shè)計(jì)研究，研制出了樣機(jī)。同時(shí)，對(duì)該電動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行了耐久性試驗(yàn)和效率及振動(dòng)噪聲測(cè)試，結(jié)果表明，該新型電動(dòng)舵機(jī)性能可滿足船舶的操縱要求，并在很大程度上提高了操舵裝置的減振降噪水平。