航天伺服用舵軸轉角傳感器測量分析

王賀龍 姜玉峰 魏澤宇 潘龍 齊沖

摘要：以航天伺服機構常用的某型角位移傳感器為研究對象，針對該角位移傳感器在實際使用過程中遇到的問題進行研究，建立數學模型并進行了仿真分析，探討了影響測量結果的因素，提出了提高角位移測量準確性的建議和措施。

關鍵詞：伺服機構;角位移傳感器;ADAMS

0? ? 引言

隨著航天伺服技術的發展，對伺服機構的控制精度和動態性能要求越來越高，航天伺服機構或直接采用角度輸出的形式，或為直線位移式輸出方式，通過搖臂等連桿機構實現直線到轉動的轉換。兩種方式均是通過傳動機構傳動實現負載的轉動或擺動，完成控制系統對姿態的調整，控制系統對伺服機構的指標要求往往是舵軸或噴管負載終端的實際響應，通常用角位移傳感器來測量實際的擺動輸出。

本文以航天伺服機構常用的某型角位移傳感器為研究對象，以其測量原理和測量方式為基礎，結合實際安裝情況，建立數學模型，并通過理論結合仿真進行分析，對影響測量輸出結果的因素進行研究，最終給出明確的分析結論。

1? ? 產品工作原理

采用模擬量直接輸出的撥叉型角位移傳感器，其以結構簡單、抗干擾能力強、輸出信號延遲小等特點，在航天伺服測量領域應用較為普遍。其原理類似于滑動變阻器，內部設計有環形電阻，電刷與環形電阻接觸，電刷在轉軸的帶動下轉動，產生角度差從而引起輸出電壓量的變化，達到角度測量的目的。其安裝形式如圖1所示，在負載轉動時，帶動撥叉運動，進而帶動角位移傳感器轉動產生輸出。

本文針對某項目角位移傳感器使用過程中遇到的問題進行分析，其安裝三維示意圖如圖2所示，二維剖面圖如圖3所示。

2? ? 理論分析

根據安裝結構分析，角位移傳感器與安裝支架通過止口軸向定位，若安裝支架定位孔與舵軸之間同軸度存在偏差，會導致角位移傳感器轉軸與舵軸之間同軸度難以保證，造成角位移傳感器輸出轉角與舵軸轉角之間出現偏差，傳動數學模型如圖4所示。

當偏差e不為零時，角度β隨α變化的計算公式如下：

因此，偏心量e會使角位移傳感器輸出與舵軸實際擺角之間存在角度差。通過上述公式可以看出，適當增大L，即適當增大撥叉長度，有利于消除因同軸度帶來的偏差影響。

實際情況下，兩軸偏心連線在360°平面內隨機變化，可能與撥叉之間存在任意夾角，由此可知角位移傳感器正負向輸出擺角不對稱。

3? ? 仿真分析

將上述角位移傳感器安裝三維模型導入ADAMS建立傳動虛擬樣機模型，發送指令擺角幅值為30°、頻率為0.02 Hz的正弦信號，最大差值出現在12.5 s和37.5 s，仿真結果如圖5所示;并以指令為橫坐標，以角位移傳感器反饋為縱坐標繪制了角位移回環曲線，可以看出角位移傳感器輸出最大擺角29.3°與理論計算吻合。

4? ? 結語

本文以航天伺服機構常用的某型角位移傳感器為研究對象，結合具體試驗過程中遇到的問題，通過建立數學模型和仿真分析，給出角位移傳感器測量誤差的詳細理論分析，找出了誤差原因，對指導實際工程應用具有重要意義。

[參考文獻]

[1] 李朋，周軍，高智剛.舵機轉角精確測量系統的設計[J].測控技術，2012，31（6）：18-21.

[2] 江濤，黃聲華，萬山明.一種基于DSP的伺服電動機轉速檢測方法[J].微電機，2006，39（3）：86-88.

[3] 曾經梁.連桿角位移再現機構的模糊穩健優化設計方法[J].機械科學與技術，2003，22（6）：974-976.

收稿日期：2020-03-20

作者簡介：王賀龍（1988—），男，河北唐山人，碩士，工程師，研究方向：伺服系統設計。