大推力高精度智能變距拉桿技術(shù)研究

莫?jiǎng)俨ǎ?馬志赟， 魚鵬飛， 丁云鵬， 蔡興濤， 汪佳斌

(1.航空工業(yè)蘭州飛行控制有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070； 2.空軍裝備部駐蘭州地區(qū)軍事代表室，甘肅 蘭州 730070)

直升機(jī)旋翼誘發(fā)的振動(dòng)會(huì)引起乘員產(chǎn)生不適感，使精密儀器精度降低，還會(huì)引起某些構(gòu)件產(chǎn)生疲勞損傷和破壞，直接影響直升機(jī)的可靠性和飛行安全[1-2]。直升機(jī)的振動(dòng)特性是由不旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的諧波激振決定的，一般來說懸停時(shí)振動(dòng)較小，并隨前飛而增大[3]。為了降低直升機(jī)的振動(dòng)水平，出現(xiàn)了一種基于智能變距拉桿(Smart Pitch Rod，SPR)的旋翼主動(dòng)減振技術(shù)，通過對(duì)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并通過主動(dòng)式動(dòng)態(tài)控制手段調(diào)整變距拉桿長(zhǎng)度恢復(fù)旋翼系統(tǒng)動(dòng)平衡狀態(tài)。

目前，國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)智能變距拉桿在關(guān)鍵技術(shù)上的突破和產(chǎn)品的研制，并應(yīng)用在直升機(jī)旋翼實(shí)時(shí)調(diào)整(In-Flight Tuning，IFT)系統(tǒng)上，在CH-53G超大型直升機(jī)上完成了試驗(yàn)驗(yàn)證[4-9]，如圖1所示。在國內(nèi)，直升機(jī)旋翼平衡測(cè)量與調(diào)整技術(shù)領(lǐng)域的研究起步較晚，主要集中在理論研究上[10-11]，工程化應(yīng)用程度不高，也沒有研制用于直升機(jī)旋翼調(diào)整的智能變距拉桿的工程經(jīng)驗(yàn)。

圖1 CH-53G直升機(jī)換裝SPR

智能變距拉桿是機(jī)電一體化的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)，作為直升機(jī)旋翼系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，IFT系統(tǒng)通過智能變距拉桿獨(dú)立調(diào)節(jié)槳葉迎角，達(dá)到降低旋翼1/rev 振動(dòng)的目的。與傳統(tǒng)調(diào)整方法不同的是，智能變距拉桿不需要調(diào)整槳葉配重或后緣調(diào)整片，僅通過控制算法自動(dòng)小幅調(diào)整變距拉桿以達(dá)到調(diào)整旋翼錐體和減振的目的。

智能變距拉桿具有大推力、高精度、智能監(jiān)測(cè)與診斷等特點(diǎn)。在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，伺服系統(tǒng)在低速和高精度工況運(yùn)行，電機(jī)常常會(huì)出現(xiàn)走走停停和低速爬行的現(xiàn)象[12]，其主要原因是傳感器精度不足帶來的結(jié)構(gòu)性誤差和摩擦力等非線性因素的影響。研究人員提出了抑制速度信號(hào)噪聲的數(shù)字濾波法[13]、狀態(tài)觀測(cè)器法[14]、補(bǔ)償摩擦力矩的庫倫+粘滯模型[15]和Stribeck 模型[16]等摩擦補(bǔ)償方法，另外還有模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等智能控制方法用于伺服系統(tǒng)的控制[17-18]。

本文針對(duì)智能變距拉桿低速和高精度的伺服特點(diǎn)，介紹了可行的技術(shù)解決方案，提出了一種帶摩擦正反饋補(bǔ)償?shù)目刂品椒ê陀尚行菨L柱絲杠、力矩限制器以及高精度角度編碼器等組成的伺服作動(dòng)結(jié)構(gòu)。經(jīng)試驗(yàn)表明，智能變距拉桿的伺服性能達(dá)到了IFT系統(tǒng)的使用要求。

1 旋翼平衡實(shí)時(shí)調(diào)整原理

IFT系統(tǒng)由智能變距拉桿、旋翼平衡感知單元、集流環(huán)、控制單元、人機(jī)交互裝置和地面維護(hù)終端等組成，如圖2所示。智能變距拉桿取代了傳統(tǒng)機(jī)械式變距拉桿，其調(diào)整旋翼平衡的原理是IFT系統(tǒng)通過對(duì)基于光學(xué)跟蹤的旋翼錐體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在控制單元內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)控制律計(jì)算，最終通過智能變距拉桿調(diào)整槳葉槳距，通過空氣動(dòng)力作用使槳葉達(dá)到預(yù)期的平衡狀態(tài)。

圖2 IFT系統(tǒng)組成

智能變距拉桿的控制信號(hào)來自于控制單元，通過RS485總線傳輸?？刂茊卧目刂浦噶钍菍?shí)時(shí)仿真機(jī)經(jīng)最優(yōu)控制方法解算出的相對(duì)位移量(相對(duì)于變距拉桿初始零位)，智能變距拉桿接收到控制指令后，隨即進(jìn)行伺服控制，并將伺服結(jié)果通過另一組RS485總線上傳到控制單元中。

2 智能變距拉桿設(shè)計(jì)

智能變距拉桿本質(zhì)是一個(gè)電動(dòng)伺服作動(dòng)器，是IFT系統(tǒng)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過細(xì)微調(diào)整變距拉桿的長(zhǎng)度，調(diào)整槳葉迎角，可以達(dá)到消除旋翼不平衡狀態(tài)的目的。

智能變距拉桿作為槳葉和自動(dòng)傾斜器的連接裝置，一方面替代了傳統(tǒng)的機(jī)械式變距拉桿，實(shí)現(xiàn)槳葉的周期變距控制，另一方面集成了有限行程的電動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)IFT系統(tǒng)對(duì)各槳葉槳距的在線微調(diào)功能。

由于智能變距拉桿的工作特點(diǎn)，其主要技術(shù)特點(diǎn)是載荷大、體積和重量小、超低速、小位移和高控制精度。主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

智能變距拉桿技術(shù)完成的主要研究?jī)?nèi)容是：① 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)小型化、機(jī)電一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；② 高精度、大推力的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)械及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

變距拉桿的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)由殼體、傳感器(角度編碼器)、電機(jī)減速器組件、行星滾柱絲杠副和桿端軸承等部分組成，如圖3所示。

圖3 變距拉桿機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組成

變距拉桿使用行星滾柱絲杠副作為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置，相比于滾珠絲杠和梯形絲杠，其特點(diǎn)是：① 承載高，壽命長(zhǎng)；② 效率高，滾柱絲杠用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，潤(rùn)滑良好的情況下效率可達(dá)90%；③ 加速、減速的能力好；④ 振動(dòng)、噪聲較小；⑤ 能適應(yīng)惡劣環(huán)境；⑥ 拆卸方便[19]。針對(duì)變距拉桿大載荷和高精度的技術(shù)要求，行星滾柱絲杠副是最佳的選擇方案。從伺服控制角度看，行星滾柱絲杠副效率高、摩擦小，改善了低速時(shí)摩擦力的非線性影響，有利于實(shí)現(xiàn)高精度伺服控制。

變距拉桿傳動(dòng)部分的工作原理是：以直流無刷電機(jī)為動(dòng)力源，經(jīng)直齒減速齒輪減速后，通過行星滾柱絲杠副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)輸出軸的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過機(jī)械限位組件保證結(jié)構(gòu)行程不超出安全范圍。通過桿端軸承旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)拉桿長(zhǎng)度的手動(dòng)調(diào)整，電機(jī)尾部的角度編碼器用于電機(jī)速度的精確測(cè)量，與行星滾柱絲杠副并聯(lián)的高精度角度編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)位置反饋信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能變距拉桿的指令信號(hào)來自于控制單元，通過RS485總線傳輸。指令信號(hào)包含了一組實(shí)時(shí)變化的拉桿相對(duì)長(zhǎng)度位置、變距拉桿使能和位置查詢的狀態(tài)；變距拉桿的反饋信息包括了變距拉桿的工作/故障狀態(tài)和實(shí)時(shí)伺服位置。變距拉桿控制系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 變距拉桿控制系統(tǒng)組成

智能變距拉桿的特點(diǎn)是低速和高精度，而低速高精度控制一直是個(gè)沒有很好解決的問題。低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，普遍存在速度波動(dòng)變大、平穩(wěn)性降低、控制精度變差和小信號(hào)軌跡難以跟蹤的問題[20]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的精確伺服，智能變距拉桿采用三環(huán)控制方法，將電流、電機(jī)速度和輸出軸位置引入負(fù)反饋中，利用位置反饋實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制，利用速度限制器實(shí)現(xiàn)速度限幅(0.13 mm/s)和增加系統(tǒng)阻尼，利用電流環(huán)實(shí)現(xiàn)電流截止負(fù)反饋平滑啟動(dòng)的過程。位置控制通過高精度位置信號(hào)和引入積分控制器實(shí)現(xiàn)高精度控制。

電機(jī)采用直流無刷伺服電機(jī)，控制模式采用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)速度控制，利用速度編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)置了電流環(huán)控制，對(duì)電機(jī)進(jìn)行電流保護(hù)。電機(jī)控制的其他匹配參數(shù)包括：極限轉(zhuǎn)速限制、變速和延遲參數(shù)、最小轉(zhuǎn)速等，經(jīng)過多組參數(shù)的匹配和試驗(yàn)，保證了變距拉桿在額定載荷下的低速伺服的穩(wěn)定性和精度。此外，為了增加電機(jī)速度采樣精度，在電機(jī)軸上配置了專門用于電機(jī)速度閉環(huán)控制的角度編碼器，提高了電機(jī)速度閉環(huán)控制的性能。

在位置傳感器的選擇上，根據(jù)伺服控制的工程經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮到硬件成本，傳感器精度一般比控制目標(biāo)精度高3～4倍。高精度的線性可變差動(dòng)變壓器(Linear Variable Differential Transformer,LVDT)或者電位計(jì)是位置反饋傳感器的最初選擇目標(biāo)，但是目前市場(chǎng)上的高精度LVDT或者電位計(jì)均很難滿足絕對(duì)精度在0.005 mm以上的要求，即使光柵和磁傳感器等傳感器的精度能達(dá)到使用要求，但它們的環(huán)境適應(yīng)性不好，很難適應(yīng)變距拉桿所處的高能振動(dòng)環(huán)境。最終，位置傳感器選擇了高精度角度編碼器，通過絲母與絲杠之間的傳動(dòng)關(guān)系間接測(cè)量絲杠(輸出軸)的位置，這樣既可以保證測(cè)量精度，同時(shí)也保證了較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

根據(jù)計(jì)算，行星滾柱絲杠副的絲母伺服精度需保證在1.8°以上。選用的高精度絕對(duì)式角度編碼器，靜態(tài)精度能達(dá)到0.098°以上，且具有良好的動(dòng)態(tài)性能，可滿足使用要求。

絕對(duì)式角度編碼器采用了以RS422總線硬件為基礎(chǔ)的SSI(Synchronous Serial Interface,同步串行接口)通信模式，其時(shí)序如圖5所示。T為時(shí)鐘周期，Trc為數(shù)據(jù)周期，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，D23為有效位，D22為零位默認(rèn)位。編碼器有2種零位狀態(tài)，一種是出廠零位，其零位是固定的；另一種是人工零位，可以根據(jù)用戶使用需要設(shè)定特定位置為零位。D21～D0為數(shù)據(jù)位，D0為L(zhǎng)SB。

圖5 SSI數(shù)據(jù)時(shí)序圖

根據(jù)角度編碼器的人工零位設(shè)置方法，智能變距拉桿自動(dòng)控制行程標(biāo)零的過程是先控制電機(jī)拖動(dòng)滾柱絲杠副的絲母運(yùn)動(dòng)到機(jī)械限位位置，并設(shè)置當(dāng)前位置為編碼器的人工零位，重新上電后智能變距拉桿的零位被記憶。同時(shí)，在位置伺服的控制律中，位置反饋中增加Δ=s/2(s為機(jī)械行程)作為新的位置反饋信號(hào)。采用上述方法，大大簡(jiǎn)化了高精度伺服控制系統(tǒng)的尋零工作。

2.3 伺服控制方法

電機(jī)電樞回路的瞬態(tài)方程為

(1)

式中：CeΦ=Ke為反電勢(shì)常數(shù)；U為外加電壓(V)；Ra為電樞內(nèi)阻(Ω)；La為電感(H)；ia為電樞電流瞬時(shí)值(A)；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速(rad/s)。

伺服系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為

(2)

式中：Tem為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)；JΣ為系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(N·m·s2);TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Tf為摩擦轉(zhuǎn)矩。

式(2)經(jīng)拉普拉斯變換后，可得：

U-Ea=(Ra+Las)Ia=Ra(1+Tas)Ia

(3)

Tem-TL-Tf=JΣωs

(4)

基于以上關(guān)系可建立智能變距拉桿帶摩擦正反饋補(bǔ)償?shù)膫鬟f函數(shù)模型,如圖6所示。

圖6 控制原理框圖

3 測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試智能變距拉桿的功能和性能，建設(shè)了變距拉桿的地面加載測(cè)試設(shè)備，并在風(fēng)洞環(huán)境下測(cè)試了旋翼平衡實(shí)時(shí)調(diào)整的效果。

3.1 靜態(tài)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

靜態(tài)測(cè)試試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室的專用直線加載測(cè)試臺(tái)上完成的，直線加載測(cè)試臺(tái)分為軟件部分、電氣部分和機(jī)械部分，加載臺(tái)最大載荷為25 kN，直線測(cè)量精度為0.005 mm以上。加載測(cè)試環(huán)境如圖7所示。加載控制臺(tái)和測(cè)試軟件界面如圖8所示。

圖7 加載測(cè)試環(huán)境

圖8 加載控制臺(tái)和測(cè)試軟件界面

試驗(yàn)按4000 N的最大載荷對(duì)6只智能變距拉桿分別進(jìn)行了直線加載測(cè)試(順載和逆載)，測(cè)量結(jié)果顯示，智能變距拉桿的靜態(tài)精度達(dá)到了0.01 mm以內(nèi)，滿足使用要求，如圖9所示。

圖9 順載4000 N精度測(cè)試結(jié)果

需要說明的是，在高精度、大載荷的情況下，設(shè)備的機(jī)械接口間隙成為不可忽視的測(cè)量誤差主要來源。

為了排除間隙對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在直線加載試驗(yàn)中首先施加載荷力，待載荷穩(wěn)定后標(biāo)定位移點(diǎn)為初始零點(diǎn)，再控制作動(dòng)器作動(dòng)并開始測(cè)量結(jié)果，這樣就能排除接口間隙對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

在中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所的低速風(fēng)洞中對(duì)4種不同前飛狀態(tài)和懸停狀態(tài)的旋翼平衡調(diào)整效果進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)量了智能拉桿控制前后臺(tái)體1 Ω振動(dòng)值變化情況，如圖10所示。從圖10中可以看出，對(duì)智能拉桿進(jìn)行位移控制后，能有效降低臺(tái)體1 Ω振動(dòng)值，且X、Y、Z3個(gè)方向都能降低。在不同狀態(tài)下，臺(tái)體1 Ω振動(dòng)值降低在30%～67%之間，基本能控制在0.2 in/s以內(nèi)。智能變距拉桿調(diào)整對(duì)旋翼振動(dòng)控制的效果十分明顯。

圖10 臺(tái)體1 Ω振動(dòng)值變化情況

4 結(jié)束語

由地面加載試驗(yàn)結(jié)果可知，根據(jù)IFT系統(tǒng)使用要求設(shè)計(jì)的旋翼智能變距拉桿的直線伺服精度達(dá)到了0.01 mm，額定推力可達(dá)4000 N，滿足使用要求。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，通過旋翼智能變距拉桿調(diào)整旋翼平衡能有效降低旋翼振動(dòng)水平，最高降幅50%。智能變距拉桿的伺服精度與國外先進(jìn)產(chǎn)品相當(dāng)，雖然額定載荷不如國外先進(jìn)產(chǎn)品，但體積和重量較小，載荷體積比和載荷重量比指標(biāo)均達(dá)到國外先進(jìn)水平。

旋翼智能變距拉桿首次在國內(nèi)試制成功，并在IFT系統(tǒng)上完成了旋翼平衡實(shí)時(shí)調(diào)整試驗(yàn)，驗(yàn)證了IFT系統(tǒng)的有效性和可行性，提升了技術(shù)成熟度，為解決直升機(jī)錐體不平衡問題提供了新的技術(shù)手段，技術(shù)成果可用于降低直升機(jī)的振動(dòng)水平，延長(zhǎng)旋翼使用壽命。