彎扭復(fù)合大負載下電動舵機設(shè)計及性能試驗研究

帥 鵬，錢 帥，黃 建，李浩男，王 貫

(1.海軍裝備部裝備審價中心，北京 100074；2.北京自動化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

0 引言

電動舵機是飛行器制導(dǎo)控制系統(tǒng)的重要組成部分，它根據(jù)制導(dǎo)控制系統(tǒng)指令操縱舵面偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)飛行器姿態(tài)穩(wěn)定控制。未來飛行器飛行跨空域大、速域?qū)?、動態(tài)高、非線性強、結(jié)構(gòu)緊湊，電動舵機受到大彎矩、大鉸鏈扭矩和大慣量負載的共同作用，應(yīng)具有高剛度、高功率密度、小型化、輕質(zhì)化和快響應(yīng)的特性[1-3]?？箯?fù)合大負載能力差的電動舵機在工作過程中極易引發(fā)顫振，從而直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性[4-5]。目前，該領(lǐng)域國內(nèi)基本采用無刷直流電機和滾珠絲杠方案，功率密度不超過300W/kg，剛度約1500(N·m)/(°)，在極端復(fù)合大負載工況下存在系統(tǒng)不穩(wěn)定風(fēng)險。因此，需對在有限空間質(zhì)量約束下的抗復(fù)合大負載快速響應(yīng)電動舵機設(shè)計和試驗方法進行深入研究。

本文從高功率密度伺服電機設(shè)計、高剛度傳動機構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化等多方面著手，提出了一種高剛度高功率密度電動舵機設(shè)計方法，并進行了部件仿真、系統(tǒng)仿真與樣機性能試驗。

1 高功率密度伺服電機設(shè)計

伺服電機是電動舵機的核心部件，其在彎扭復(fù)合大負載工況下具有高動態(tài)性能和高轉(zhuǎn)矩過載能力，是電動舵機設(shè)計和研究的重點[6]。本文選用高功率密度永磁同步電機作為電動舵機的驅(qū)動力來源，電機的永磁材料選用燒結(jié)釤鈷，定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心選用疊壓的電工鋼帶，并用特殊工藝粘接。相比其他類型的伺服電機，具有功率密度高、高效低損耗、轉(zhuǎn)矩脈動小和控制精度高等顯著優(yōu)點[7-9]。

根據(jù)任務(wù)要求，電動舵機負載轉(zhuǎn)動慣量0.8kg·m2，額定轉(zhuǎn)矩800N·m，彎矩4000N·m，最大轉(zhuǎn)速不低于200(°)/s，系統(tǒng)頻帶不低于15Hz。由此確定的伺服電機性能參數(shù)如下：1)額定轉(zhuǎn)矩：3N·m；2)額定轉(zhuǎn)速：11000r/min；3)峰值力矩：11N·m。經(jīng)過多輪計算與優(yōu)化設(shè)計得到的永磁同步電機參數(shù)如表1所示。

表1 電機設(shè)計參數(shù)

在Ansoft軟件中建立伺服電機仿真模型，進行電磁和性能仿真，計算得到電機輸出額定力矩時的磁密特性如圖1和圖2所示，額定輸出力矩曲線如圖3示。由仿真結(jié)果可知，伺服電機輸出額定力矩3N·m時的齒磁密為1.5T，轉(zhuǎn)速達到11000r/min，滿足電磁場設(shè)計要求和性能指標要求。

圖1 額定力矩的磁密云圖Fig.1 Magnetic density cloud diagram of rated torque

圖2 額定力矩的磁密曲線Fig.2 Magnetic density curve of rated torque

圖3 電機額定輸出力矩曲線Fig.3 Motor rated output torque curve

針對飛行器對電動舵機高功率密度、高剛度和適應(yīng)惡劣力學(xué)環(huán)境的要求，對伺服電機結(jié)構(gòu)細節(jié)進行了特殊設(shè)計。1)電機軸與電機齒輪采用一體化設(shè)計，避免了電機軸與電機齒輪分體時銷裝工藝可能造成的電機軸承損傷，也進一步提高了傳動剛度和可靠性；2)電機殼體與傳動機構(gòu)殼體采用一體化設(shè)計，解決了電機殼體與傳動機構(gòu)殼體分體方案造成的接連剛度不足和體積質(zhì)量過大的問題；3)電機軸兩端選用角接觸軸承支撐，與深溝球軸承相比，角接觸軸承軸向承載能力更強，更適應(yīng)飛行過程中的大量級振動和強烈沖擊。

最終設(shè)計得到的伺服電機如圖4所示，單個伺服電機質(zhì)量約1.6kg,功率密度達到2.1kW/kg。

圖4 高功率密度永磁同步電機Fig.4 High power density permanent magnet synchronous motor

2 高剛度傳動機構(gòu)設(shè)計

電動舵機傳動機構(gòu)應(yīng)當具有高剛度和高效率的工作特性，剛度特性差的傳動機構(gòu)在復(fù)合大負載下極易引發(fā)顫振，從而直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。在國外，行星滾柱絲杠已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于運載火箭推力矢量伺服機構(gòu)和高超聲速飛行器電動舵機等領(lǐng)域，在高剛度、大推力、高精度場合開始快速取代滾珠絲杠成為直線伺服系統(tǒng)的主要傳動機構(gòu)[10-13]。本文選用了標準型小螺距行星滾柱絲杠，以實現(xiàn)傳動部件的高剛度、高承載能力和小型化，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，并針對復(fù)合大負載工況進行了螺紋參數(shù)優(yōu)化和一體化設(shè)計，樣機如圖6所示。

圖5 行星滾柱絲杠Fig.5 Structure of planetary roller screw

圖6 行星滾柱絲杠樣機Fig.6 Planetary roller screw prototype

傳動機構(gòu)選用齒輪與平面連桿機構(gòu)組合的方案，并采用了齒輪一體化設(shè)計和大彎矩輸出軸支承結(jié)構(gòu)技術(shù)。如圖7所示，永磁同步電機通過一體化電機齒輪輸出力矩和轉(zhuǎn)速，經(jīng)惰輪傳遞到行星滾柱絲杠設(shè)有的圓柱齒輪上，絲杠齒輪兩端安裝有推力軸承以承受軸向推力，行星滾柱絲杠將力矩和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€推力和位移后，通過連桿和搖臂推動輸出軸和舵面偏轉(zhuǎn)。輸出軸通過一對圓錐滾子軸承支撐，承受舵面?zhèn)鬟f給輸出軸的彎矩、扭矩和慣量負載。

圖7 電動舵機傳動機構(gòu)Fig.7 Transmission mechanism of EMA

傳動機構(gòu)及其殼體按照功能與受力情況不同，分別采用高強度鋁合金、鈦合金、不銹鋼等輕質(zhì)高強度材料，并應(yīng)用拓撲優(yōu)化技術(shù)進行結(jié)構(gòu)減重與優(yōu)化設(shè)計。電動舵機的位置反饋采集采用線性可變差動傳感器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)實現(xiàn)，它能夠進行非接觸式位移測量，且工作壽命長、精度高、性能穩(wěn)定[14-15]。傳感器傾斜布置在同步電機定子組件與行星滾柱絲杠組件之間，顯著減少了殼體的體積和質(zhì)量，提高了空間利用率。

圖8 傳動機構(gòu)等效應(yīng)力云圖Fig.8 Equivalent stress cloud diagram of transmission mechanism

利用ABAQUS有限元分析軟件對電動舵機傳動機構(gòu)進行極限負載下的靜力學(xué)仿真分析，得到的傳動機構(gòu)(含行星滾柱絲杠)等效應(yīng)力云圖如圖8所示。仿真結(jié)果顯示，傳動機構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在滾柱絲杠螺紋處，470MPa小于材料許用應(yīng)力，整體強度滿足設(shè)計要求，通過計算負載力矩與變形量的比值，可得傳動機構(gòu)剛度達到1865(N·m)/(°)。

3 系統(tǒng)仿真

在MATLAB中構(gòu)建系統(tǒng)模型，如圖9所示。系統(tǒng)在負載轉(zhuǎn)動慣量0.8kg·m2、額定轉(zhuǎn)矩800N·m和彎矩4000N·m工況下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真結(jié)果如圖10所示。由仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)速約210(°)/s，滿足不小于200(°)/s的指標要求。

圖11所示為額定轉(zhuǎn)矩800N·m工況下，幅值2.5°、頻率15Hz正弦信號下的系統(tǒng)響應(yīng)仿真結(jié)果，仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)響應(yīng)幅值1.9°，衰減不超過-3dB，系統(tǒng)頻帶優(yōu)于15Hz，滿足指標要求。

圖9 系統(tǒng)仿真模型Fig.9 System simulation model

圖10 最大轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.10 Maximum speed simulation result

圖11 頻帶仿真結(jié)果Fig.11 Frequency band simulation result

4 性能試驗

將電動舵機安裝于加載試驗臺上，采用專用舵機放大器和測試設(shè)備對該電動舵機的各項性能指標進行測試，其中測試設(shè)備通過RS422通信接口給予系統(tǒng)控制指令，并接收系統(tǒng)對外輸出的反饋數(shù)據(jù)，專用舵機放大器功率驅(qū)動器開關(guān)頻率為16kHz。采用彈性扭桿與慣量工裝的方式，對電動舵機施加彈性力矩負載和慣量負載，采用液壓加載的方式，對電動舵機施加彎矩負載。

圖12所示為電動舵機在負載轉(zhuǎn)動慣量0.8kg·m2、額定轉(zhuǎn)矩800N·m和彎矩4000N·m條件下的轉(zhuǎn)速測試曲線。試驗結(jié)果表明，在此工況下電動舵機轉(zhuǎn)速為220(°)/s，優(yōu)于不小于200(°)/s的指標要求。

圖12 輸出轉(zhuǎn)速測試曲線Fig.12 Output speed test curve

圖13所示為電動舵機在負載轉(zhuǎn)動慣量0.8kg·m2、額定轉(zhuǎn)矩800N·m和彎矩4000N·m工況下，輸入幅值2.5°、頻率15Hz的正弦控制信號的系統(tǒng)頻帶測試曲線。從測試曲線可知，電動舵機位置反饋信號無畸變，反饋信號峰峰值為1.78°，幅頻特性衰減小于-3dB，相角均值滯后約85.3°，系統(tǒng)頻帶優(yōu)于15Hz。

圖13 頻帶測試曲線Fig.13 Frequency band test curve

圖14所示為給電動舵機施加800N·m的反向操縱力矩后(負載施加方向與電動舵機運動方向一致)，伺服系統(tǒng)從10°位置階躍回到零位的反向操縱力矩測試曲線。由圖可知，電動舵機在承受800N·m的反向操縱力矩的情況下，控制穩(wěn)定性良好，沒有出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)精度滿足指標。

圖14 反向操縱力矩測試曲線Fig.14 Reverse steering torque test curve

5 結(jié)論

針對復(fù)合大負載工況電動舵機穩(wěn)定性的問題，重點研究了有限空間質(zhì)量約束下的伺服電機和傳動機構(gòu)，提出了一種區(qū)別于現(xiàn)有無刷直流電機和滾珠絲杠方案，基于高壓永磁同步電機、高剛度行星滾柱絲杠和一體化設(shè)計技術(shù)的高剛度高功率密度抗復(fù)合大負載快速響應(yīng)電動舵機設(shè)計方法，并進行了部件仿真、系統(tǒng)仿真與樣機性能試驗。試驗結(jié)果表明：該電動舵機能夠在復(fù)合大負載工況下穩(wěn)定運行，功率密度達到393W/kg，傳動機構(gòu)剛度達到1865(N·m)/(°)，系統(tǒng)頻帶不低于15Hz，指標達到國內(nèi)先進水平，證明了該方法具有重要的工程應(yīng)用價值。