談雙余度電動舵機的余度策略及工程實現

肖鵬斌

（海軍裝備部，甘肅　蘭州　730070）

談雙余度電動舵機的余度策略及工程實現

肖鵬斌

（海軍裝備部，甘肅蘭州730070）

舵機作為飛控系統的執行部件，它的故障直接影響飛行系統的正常工作，采用多余度舵機能有效提升改進飛控系統性能、提高飛行可靠性、安全性。本論述首先簡要討論了余度綜合形式、余度管理方式及舵機的傳動方式等余度策略，然后以DD16型雙余度電動舵機為例，從工作原理出發，討論了余度策略、余度設計、結構設計及可靠性設計，從工程實現的角度出發，對余度綜合形式、余度管理方式及優化設計、耐環境設計等方面的內容展開了討論。

雙余度；電動舵機；余度策略；工程實現

1　余度綜合形式

目前雙余度舵機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雙繞組電機作為舵機動力源，采用雙控制器，一個控制器控制一個繞組，構成雙通道。其特點是通過對電機兩個繞組的磁通進行控制，實現磁通綜合輸出方式。通過監測系統對兩個通道中的故障情況進行監測，并實現有效的故障隔離。允許一次故障工作。

其工作原理框圖見圖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立的單電機控制系統組成，其特點是通過對兩臺電機的力矩進行控制，實現力綜合輸出方式。通過監測系統對兩個通道中的故障情況進行監測，并實現有效的故障隔離。允許一次故障工作。

其工作原理框圖見圖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立的單電機控制系統組成，其特點是通過對兩臺電機的速度進行控制，實現速度綜合輸出方式。通過監測系統對兩個通道中的故障情況進行監測，并實現有效的故障隔離。允許一次故障工作。

其工作原理框圖見圖3所示。

圖3　速度綜合工作原理框圖

2　余度管理方式

雙余度舵機的余度管理根據運行方式的不同，可分為主動并列運動和備用轉換運動。

2.1主動并列式運動

主動并列式運動是指正常狀態下，兩個通道同時工作；當其中一個通道出現故障時，自動停止故障通道的工作，系統自動進入到單通道工作方式。

由于主動并列式運動時，三種余度綜合形式中的兩個電機是同時工作的，解決兩個電機同時工作引起的平衡問題是這種余度管理方式的難點。

2.2備用轉換式運動

備用轉換式運動是指正常狀態下，只有一個通道工作；當該通道出現故障時，系統自動切斷該通道的工作，進入到另一通道的工作。

3　電動舵機的幾種傳動結構

（1）圓柱、圓錐齒輪傳動

圓柱、圓錐齒輪傳動是最常見的傳動結構，制造簡單方便，效率高，但實現大傳動比時，體積大。

（2）行星齒輪傳動

行星齒輪傳動在實現大傳動比時，體積較小，但要求加工精度高，結構較為復雜，效率較低。目前國內生產廠家較少。

（3）諧波齒輪傳動

諧波齒輪傳動結構較前兩項傳動結構比較，在相同傳動比的情況下，具有體積最小、傳動精度最高、傳動最平穩、同軸性好等優點，且密閉性好，但傳動效率較低，輸入轉速不能太高。

（4）滾珠絲杠傳動

滾珠絲杠傳動是目前較先進的傳動結構，其傳動精度、效率均高于齒輪傳動結構，傳動比大，自鎖力矩小。輸出方式為線位移輸出。

4　DD16型雙余度電動舵機的工作原理及余度策略

4.1工作原理

DD16型雙余度電動舵機是某型飛行控制系統的執行機構，當飛控系統接通后，伺服控制器1（或2）開始工作，此時，電磁離合器1（或2）接通，無刷電機1（或2）接收伺服控制器1（或2）的控制信號，經電磁離合器1（或2）及傳動機構帶動輸出軸按控制指令轉動到規定位置，同時測速機1（或2）、電位計1A、1B（或2A、2B）將電機速度和輸出軸角位置信號反饋至伺服控制器1（或2），使伺服控制器1（或2）完成對舵機的監控和控制任務。

DD16型雙余度電動舵機工作原理框圖見圖4所示。

圖4DD16型電動舵機原理框圖

4.2余度策略

DD-16型雙余度電動舵機由兩個通道構成，每個通道均由一個無刷電機、一個測速機、一個電磁離合器、一個雙聯電位計組成，同時舵機的伺服控制器也由兩個組成，一個伺服控制器控制一個通道。

該電動舵機采用備用轉換式運動的余度管理方式。當飛控系統工作正常時，伺服控制器1（或2）控制舵機的通道1（或2）正常工作，此時通道2（或1）不工作；當通道1（或2）發生故障時，飛控系統自動切斷該故障通道，進入到通道2（或1）工作，從而實現一次故障工作。

4.3余度設計

雙余度電動舵機采用備用轉換式運動的余度管理方式。舵機具有兩個通道，每個通道均由一個無刷電機、一個測速機、一個電磁離合器、一個雙聯電位計組成。兩個通道之間通過電磁離合器進行切換。當自動飛行控制系統接通后，先由通道1承擔伺服任務，此時，電磁離合器1接通工作，電磁離合器2斷開；伺服任務由通道1單獨完成；當系統檢測到通道1故障后，將進行通道切換，將伺服任務切換到通道2，接通電磁離合器2，并斷開電磁離合器1，將通道1隔離，實現一次故障工作。

4.4結構設計

4.4.1舵機動力源

該型雙余度電動舵機動力源采用永磁無刷直流電機，該類型電機具有以下優點：

（1）具有直流電機那樣的優良特性，轉速和效率都較高；

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

（3）電機沒有換向器，長時間不易氧化，適用長期儲存。

4.4.2減速器

雙余度電動舵機減速器采用漸開線齒輪傳動，該類型齒輪傳動效率高，運動平穩、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，以提高齒輪的強度和抗磨損能力，延長減速器齒輪工作壽命。

為減小舵機的體積和重量，減速器采用四級減速，減速比為720。

4.4.3電磁離合器

雙余度電動舵機的電磁離合器是控制舵機接入工作和斷開工作的控制機構，也是舵機余度切換的裝置。當電磁離合器1（或2）接通，電磁離合器2（或1）未接通時，通道1（或2）工作，通道2（或1）不工作，此時將電機1（或2）的動力經過減速器輸出到輸出軸上；當電磁離合器1、2均未接通時，舵機輸出軸處于自由狀態，此時可由人工操縱。

電磁離合器同時也是舵機的安全裝置，通過控制電磁離合器，可在任何情況下自動或人工切除自動飛行控制系統，改為人工操縱。

為了確保電磁離合器有足夠的負載能力，同時能夠可靠分離，電磁離合器選用梯形齒牙嵌式離合器，通電后產生的電磁力使離合器的輸入與輸出端吸合，斷電后通過返回彈簧將輸入與輸出端分離。通過調整電磁鐵的氣隙，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

雙余度電動舵機的摩擦離合器安裝在輸出軸端，處于舵機傳動系的末端，這樣就消除了中間環節可能造成摩擦打滑失效的故障模式。

摩擦離合器是舵機的安全裝置，其作用在于：當兩個通道同時出現故障，且無法斷電，也無法脫開電磁離合器時，可人工強力操縱，確保飛控系統受控。

4.4.5角位置傳感器

雙余度電動舵機的角位置傳感器采用兩個雙聯導電塑料電位計，其作用在于當其中任意一聯的電位計出現故障時，飛控系統仍可通過其他3聯電位計的信號對舵機進行有效控制，實現一次故障工作。

該電位計分辨率高、線性度好，且工作可靠、壽命長。

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的速度反饋，以提高伺服控制器的控制品質。

4.4.7行程開關

行程開關用于限制自動飛行控制系統的控制權限，由微動開關和相關機構（凸輪等）組成。當舵機輸出軸的轉角超出限制范圍時，凸輪機構即可觸動微動開關，使系統能夠及時發現并采取相應措施。

4.5優化設計

在保證舵機性能要求的前提下，簡化舵機結構，盡可能實現零、組、部件的標準化、系列化與通用化，控制非標零、組、部件的比例，優先選用標準化的材料、緊固件和輔助材料，減少標準件、緊固件及元器件的規格及品種，盡可能采用經過實際考核的零、組、部件；設計時考慮了整體結構的合理性，選用典型結構，保證產品中零組件受力均勻，避免應力集中。

4.6耐環境設計

舵機在實際使用時可能會遇到惡劣環境或人為錯誤的影響，為防止此類情況給產品帶來的損害，在設計時采用以下的防護設計措施：

（1）所用電連接器、導線具有足夠的電負荷余量，可防止瞬態浪涌和過電流造成的損壞；

（2）設計時考慮了“三防”。結構設計時避免允許濕氣積存的結構形狀，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，并對零件表面進行氧化處理，緊固件選用耐腐蝕不銹鋼材料，防止電化學腐蝕；采用退火等熱處理方法，減低金屬或合金對于應力腐蝕的敏感性；電連接器選用外殼為復合材料的產品，以滿足舵機抗鹽霧能力；選用不長霉的材料，舵機殼體表面噴涂三防漆進行保護；

（3）結構設計時考慮了振動應力的影響，保證元器件、零組件的安裝剛性，盡量縮短引線的長度，且連接導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電磁兼容性設計

（1）舵機裝配時，在殼體結合面涂導電密封膠進行密封，同時在殼體上保留搭鐵部位，防止電磁泄露；

（2）在傳輸導線上采用磁珠吸收電磁波，以消除對外界干擾；

（3）引出殼體的導線通過饋通濾波器連接。

5　結束語

DD16型雙余度電動舵機通過各項試驗，其余度設計及結構設計切實可行，各項性能指標均符合使用要求，穩定可靠，有效驗證了雙余度策略在舵機設計中關鍵作用。

［1］ Rik De Doncker.先進電氣驅動的分析、建模與控制［M］.連曉峰，等譯.北京：機械工業出版社，2013.

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

［3］ 詹紀鴻.電動執行機構［M］.上海.上海科學技術出版社，2013.

［4］ 劉冠志.雙余度舵機控制系統設計［J］.微電機，2010（01）.

［5］ 李幼涵.運動控制技術與應用［M］.北京.北京航空航天大學出版社，2012.

［6］ 奧博連斯基.航空舵機系統設計引論［M］.北京：中航出版傳媒有限責任公司，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，大學本科，工程師，主要研究方向：質量監督及可靠性工程研究。