通用飛機電動舵機的設計

高榮華 徐軍 章枧 鄭富磊

摘 要：飛機舵機作為自動飛行控制系統的執行機構，其性能直接影響自動飛行控制系統的性能。本文介紹了一種用于通用飛機自動飛行控制系統的電動舵機的設計，從通用飛機電動舵機的功能、性能、總體組成、工作方式、部件的選擇和機械結構的設計幾個方面進行了描述和介紹。最后對設計完成的電動舵機進行了功能和性能測試，并給出了舵機的測試結果和結論。

關鍵詞：電動舵機 通用飛機 控制器 直流電機

中圖分類號：TJ765 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（c）-0127-02

舵機作為自動飛行控制系統中的關鍵部件之一，其性能也直接影響到整個自動飛行控制系統中的工作。隨著自動飛行控制系統的發展，舵機性能的提高成為進一步改進飛行控制系統性能的重要環節。目前一般飛機飛行1000 h才允許出一次故障，所以對舵機的安全性和可靠性也提出了很高的要求[1]。

1 舵機功能描述

本舵機適用于通用飛機，按照《中華人民共和國通用航空飛行管制條例》中的規定，通用航空，是指除軍事、警務、海關緝私飛行和公共航空運輸飛行以外的航空活動，包括從事工業、農業、林業、漁業、礦業、建筑業的作業飛行和醫療衛生、搶險救災、氣象探測、海洋監測、科學實驗、遙感測繪、教育訓練、文化體育、旅游觀光等方面的飛行活動。用于這些活動的飛機稱為通用飛機。[2]

本舵機為電動位置運動舵機，是自動飛行控制系統的執行機構，負責驅動固定翼飛機舵面運動，從而控制飛機的飛行姿態和軌跡。

本電動舵機接收自動駕駛儀發出的指令信號，經過舵機控制器處理，形成舵機控制電信號，驅動電機轉動。電機經過齒輪系的減速后，輸出合適的轉速及力矩，通過鋼索拉動舵面。本舵機還有安全保護離合，可以在一定情況下脫開舵機和舵面的連接。該舵機擁有較長的使用壽命和易維護性。

2 舵機總體設計

2.1 總體組成

本舵機由電機組件、機械傳動機構、機械支架、電磁鐵、繼電器等部分組成。

（1）電機組件包括電機、編碼器、舵機控制器三部分組成。

（2）機械傳動機構包括齒輪減速箱、離合器、減速齒輪系、鋼索絞盤等組成。

（3）機械支架包括舵機控制器的固定板、電機和電磁鐵的支架、離合器支架等。起到對電機套件和機械傳動機構的支撐和固定作用

2.2 舵機的工作方式

舵機使用28 V電源進行供電。電機通過齒輪減速箱、離合器、齒輪減速系帶動鋼索絞盤轉動，拉動舵面運動的鋼索纏繞在鋼索絞盤上，鋼索絞盤轉動帶動鋼索拉動舵面運動。

舵機控制器使用串行通信接口與自動駕駛儀進行連接。舵機控制指令采用ASCII碼格式，通信協議為標準串行通信協議。

在自動駕駛儀暫?；蛘咄Ｖ构ぷ鲿r，離合器脫開，斷開齒輪傳動，從而脫開舵機和舵面之間的連接。使用離合器控制命令控制離合器時，通過自動駕駛儀給舵機控制器發送離合器控制命令，舵機控制器接收指令并發出離合器控制信控制繼電器，繼電器控制離合器的吸合。

3 舵機部件的設計

舵機部件的基本選擇要求：（1）滿足功能和任務要求。（2）滿足尺寸及重量要求。（3）電壓一致性，就是簡化舵機的供電，使用相同的工作電壓。（4）工作穩定，使用盡量成熟的產品、部件或者結構。

3.1 電機套件的設計

3.1.1 電機的選擇

有刷電機啟動快、制動及時、可在大范圍內平滑地調速、控制電路相對簡單，電刷換向器會磨損。但是碳刷換向器的使用壽命已經可以滿足飛機飛行時間要求，考慮有刷電機的成本較低，故而選擇有刷電機，工作壽命大于3000 h。

3.1.2 編碼器的選擇

磁編碼器采用磁電式設計，利用磁器件代替了傳統的碼盤，彌補了光電編碼器的缺陷，更具抗震、耐腐蝕、耐污染、性能可靠高、結構更簡單。由于舵機工作環境的復雜性，所以編碼器選取磁編碼器。

3.2 機械傳動機構的設計

3.2.1 減速箱的選擇

齒輪減速箱分為直齒結構減速箱、行星結構減速箱和混合結構減速箱。

在齒輪減速箱中，行星齒輪減速箱以其體積小，傳動效率高，減速范圍廣，精度高等諸多優點，而被廣泛應用于伺服電機、步進電機、直流電機等傳動系統中。本舵機選取的也是行星齒輪減速箱。

3.2.2 齒輪減速系和鋼索絞盤的設計

減速系采用齒輪減速，電機輸出轉速經齒輪傳動機構減速后將舵機（鋼索絞盤）總輸出轉速減速至需要的轉速，總輸出轉矩不小于舵面需要克服的力矩。通過電磁鐵的控制離合器，可完成齒輪傳動機構的嚙合和松開。

4 舵機測試

使用iHAWK Simbox仿真計算機對舵機進行測試，包括對舵機的功能和性能測試兩個方面。

4.1 舵機功能測

使用iHAWK Simbox仿真計算機給舵機控制器發送運動控制命令和離合器控制命令，舵機能夠正確執行命令進行位置控制，并觀察舵機離合能夠按照命令正常吸合和斷開。

4.2 舵機性能測試

對舵機的帶寬進行測試，給舵機輸入形式為Asinwt的正弦波作為激勵信號，以舵機的輸出角度為輸出，測試舵機的動態特性。

5 結論

該電動舵機的部件選取合適，機械結構設計合理、耐用。功能上能夠接收自動駕駛儀發出的控制指令并正確執行指令，能夠通過離合器完成絞盤輸出的斷開和接通，動態特性能滿足通用飛機對電動舵機的要求。

參考文獻

[1] 高金源，焦宗夏，張平.飛機電傳操縱系統與主動控制技術（第一版）[M].北京，北京航空航天大學出版社，2005.

[2] 通用航空飛行管制條例[Z].北京.

[3] 徐軍，歐陽邵修.運輸類飛機自動飛行控制系統[M].北京：國防工業出版社，2013.

[4] 閔榮，王永軍，王俊彪.電動舵機快速設計技術研究[J].航空制造技術，2011（7）：72-75.

[5] 曹建華，白冰如.飛機構造[M].北京：國防工業出版社，2012.

[6] 吳昌林，張衛國，姜柳林.機械設計[M].3版.華中科技大學出版社，2011.