射流管閥磁量對氣動舵機抖動的影響

常紅 常碩

摘要：氣動舵機作為制導裝備中控制系統的執行元件，主要作用是在制導裝備飛行途中控制飛行姿態和改變飛行軌跡。正常情況下裝備保持穩定飛行，但在整彈檢測時，偶有舵機抖動問題出現，影響裝備使用性能。針對此類問題，通過深入研究氣動舵機的結構、工作原理、關鍵部件特性，并進行大量的抖動試驗進行驗證分析，得出射流管閥磁量對舵機抖動的影響因素。

關鍵詞：氣動舵機；制導裝備；抖動試驗

Keywords：pneumatic steering gear；guidance equipment；jitter experiment

0 引言

氣動舵機作為制導裝備的關鍵組成部分，保證和提升舵機的執行精度是精準打擊裝備的重要一環，控制系統發出控制指令，舵機工作帶動舵面偏轉，控制系統將彈前部件提供的制導指令一起形成俯仰、偏航、滾轉控制指令，三個姿態信號指令經過處理匯總后形成舵機驅動信號，傳遞給舵機回路，從而控制舵面偏轉。但在舵機整體檢測中經常出現舵機整體的連續不穩定抖動現象，一直沒有找到很好的解決辦法。本文對氣動舵機的工作原理進行分析，提出射流管閥磁量可能是引起舵機抖動的原因之一，并根據現有手段對舵機進行分步試驗驗證，得出射流管閥磁量對舵機抖動的影響因素。

1 射流管閥磁量對舵機抖動影響分析

1.1 舵機工作原理

舵機可以分為射流管閥和作動筒兩大部分，控制系統給射流管閥內部線圈供電，線圈產生磁場，通過磁場力的作用控制銜鐵偏轉，銜鐵帶動射流管偏轉，使進出作動筒A、B兩腔的氣體發生變化，產生壓力差。靜止情況下，控制系統不發出偏轉信號，射流管閥線圈不產生磁場力，銜鐵處在零位，射流管不發生偏轉，兩腔進出氣口保持平衡，fa1=fb1，fa2=fb2，形成兩腔壓力Pa=Pb，作動桿不運動。當控制系統發出向左偏轉信號時，射流管閥線圈產生磁場，在磁場力的作用下控制銜鐵并帶動射流管偏轉，造成進出氣不平衡，兩腔壓力Pa>Pb時，作動桿向左偏轉；同理，當兩腔壓力Pa

控制系統發出角度偏轉指令，發出電壓信號Vi，通過給線圈通電產生磁場力，控制銜鐵偏轉，銜鐵偏轉帶動射流管偏轉，射流管通過偏轉改變作動筒兩腔的進出氣量，從而改變兩腔的空氣壓力，使作動筒內的活塞桿左右偏轉。通過位移變化，電位計反饋電壓Vf增加，Vf的增加使放大器輸出V0減少，從而帶動射流管的偏轉角度減小，最終銜鐵穩定在與控制信號Vi相對應的位置，形成閉環回路。圖2所示為舵機工作原理框圖。

1.2 射流管閥工作原理

舵機偏轉主要靠射流管閥銜鐵偏轉使進出氣不一樣從而形成壓力差。因此，控制系統第一作用力作用在射流管閥上，射流管閥內各器件形成一個永磁式力矩馬達，由永久磁體、銜鐵、上下導磁體、控制線圈及支承軸承組成。舵機內射流管閥中力矩馬達結構簡圖如圖3所示。力矩馬達中銜鐵可以沿著支承軸承轉動，靜態情況下力矩馬達中1、2、3和4處的磁通面積相同，銜鐵處于零位。力矩馬達內兩個永久磁鐵產生的磁動勢通過上下兩個導磁體及中間銜鐵構成的橋式回路形成的永久磁場在氣隙處產生永久磁通，靜態情況下控制系統電流零輸入，形成的永久磁通在各個橋式空間內產生的電磁吸力相同，使得處于零位的銜鐵保持靜止。通常將銜鐵處于零位的力矩稱為電磁彈簧力矩，理想狀態下彈簧力矩與銜鐵在橋式空間中偏轉的角度成正比。當裝備控制系統發出控制信號時，線圈產生一個可以使銜鐵移動的電磁力，當處于零位的銜鐵移動時，使橋式空間形成的電磁彈簧力矩變大，當偏轉到一定角度時，控制系統形成的電磁力矩與新的電磁彈簧力矩處于平衡，以實現控制系統控制銜鐵偏轉到一定角位置的功能。

1.3 磁量對舵機抖動影響分析

射流管閥內部永久磁鐵在正常環境下，理論上磁量基本不變，但永久磁鐵可能受外界環境影響而導致磁量變化異常，如高溫、高濕、交變磁場、機械振動等都可能使永久磁鐵產生不同程度的磁性能變化。因此，推測射流管閥內部永久磁鐵磁性能變化可能是導致舵機抖動的原因之一，下面對此做進一步分析。

從式（1）可以看出，在輸入相同控制信號Vi的情況下，磁通量發生改變會引起力矩馬達轉角θ發生變化，導致出現壓力差（P1-P2）的輕微浮動，從而影響作動桿產生準確的位移，在一定范圍內由電位計反饋到控制電路的信號與控制電路形成的閉環自動控制系統會自動調節輸出信號，調節舵機作動桿位移的位置，與理想狀態的誤差極其微小。即當磁量正常時，控制系統給出一定的偏轉角度電壓，舵機會準確偏轉到相應角度。由于依靠反饋環節進行自動調節，可以補償擾動對系統的不利影響，閉環控制雖能提高系統的控制精度，但使系統的穩定性變差。磁量超出允許范圍時，控制系統會給出一定偏轉電壓，偏轉到相應角度，由于永久磁鐵的磁量發生變化，使力矩馬達轉角θ發生偏差，當反饋電位計反饋的電壓不符合自動駕駛儀給出的目標值時，自動控制系統輸出調整后的電壓，但因力矩馬達磁量仍然不合格，導致在一定范圍內控制電路頻繁輸出調整的電壓以調整偏轉角度，于是形成了舵機的振動現象。

2 舵機抖動試驗

取兩個試驗舵機（A舵機、B舵機）進行試驗，其中A舵機原有抖動明顯，B舵機無抖動，本試驗采用的設備包括氣動舵機綜合測試設備、氣動舵機射流管閥綜合測試設備、氣動舵機充退磁系統設備。保存舵機綜合測試設備的波形曲線與射流管閥測試設備試驗數據，以便進行試驗結果分析。

2.1 試驗設備工作原理

試驗所用設備的指標依據取自《自動控制原理及應用》，同時參照其他型號裝備舵機的部分已明確指標進行設定。

1）氣動舵機綜合測試設備工作原理

本試驗設備通過工控機發出測試指令，將氣源控制臺開啟，提供作動筒驅動動力，通過信號調理箱的信號調理后再驅動舵機運動，帶動負載裝置的扭桿轉動，扭桿變形產生的力用來模擬舵機工作時的負載。舵機內部作動桿運動狀態由反饋電位計進行反饋，測控系統對反饋信號進行采集處理，并由顯示器實時顯示舵機反饋信息曲線。系統組成原理框圖如圖4所示。

2）氣動舵機射流管閥綜合測試設備工作原理

本試驗設備包括射流管閥部件測試臺架和測控系統。測試臺架完成壓力特性時氣路轉接、被測產品和相關傳感器的安裝固定，測控系統完成測試指令的生成及測試信號采集、處理、顯示、存儲等任務。氣動舵機射流管閥測試設備有兩大系統功能，分別為空載角位移特性測試功能和射流管閥壓力特性測試功能。舵機射流管閥綜合測試設備原理框圖如圖 5所示。

3）氣動舵機充退磁系統設備工作原理

本試驗設備由充磁機構、退磁機構和測控系統組成。充磁機構通過充磁機構線圈產生的強磁場完成舵機射流管閥部件的充磁，只需220V供電，手動壓下開關，即可完成對射流管閥部件的充磁。退磁機構根據測控系統的指令，對已經裝配好的射流管閥進行角位移特性測試，退磁后再自動進行角位移特性測試，重復上述過程直至角位移特性滿足指標要求。氣動舵機退磁系統原理框圖如圖6所示。

2.2 A舵機試驗結果

A舵機進廠時抖動較明顯。首先，對舵機進行綜合測試，記錄波形圖，每次測試都進行三次，選取中間數值以防止人為誤差。然后，進行射流管閥的磁測試數據記錄，磁量小于規定范圍。對射流管閥進行充退磁試驗，將射流管閥的磁量調節到規定范圍，再進行舵機的整體測試。A舵機測試數據如表1所示。

射流管閥磁測試的磁量大小主要看靈敏度，靈敏度越大磁量越小，磁靈敏度規定范圍為0.056～0.060之間，從表1可以看出初始磁量低于正常范圍，抖動較明顯，當調節磁量到規定范圍時，抖動明顯減弱，如圖7所示。

圖7的a）、b）分別是充退磁前后舵機綜合靜態特性曲線，經放大抖動部分，充磁前抖動峰峰值約為0.6V，充磁后抖動峰峰值約為0.35V，且可明顯看出抖動頻率大大減弱，初步得出射流管閥的磁量對舵機抖動有影響。

2.3 B舵機試驗結果

對B舵機進行舵機綜合測試，測試合格且無抖動。對B舵機進行降磁處理，降到一定值后再進行舵機綜合測試，觀察是否出現抖動情況，由此進一步驗證了射流管閥磁量對舵機抖動有影響。測試數據如表2所示。

圖8的a）、b）分別是充退磁前后舵機的綜合靜態特性曲線，可以明顯看出磁量改變后出現抖動。

3 結束語

通過對某型裝備兩個舵機進行試驗，得出舵機的射流管閥磁量對舵機抖動有影響，舵機抖動可以從抖動幅值和抖動頻率兩方面考慮。在舵機修理過程中如遇到舵機抖動問題可先進行充退磁試驗，再做舵機綜合測試。另外，從靜態特性曲線可知，雖然通過調節射流管閥的磁量，使舵機抖動明顯減弱，但抖動問題并沒有消失，這說明還存在其他因素影響舵機抖動，下一步將針對其他因素進行試驗論證。

作者簡介

常碩，助理工程師，主要從事控制與導航專業裝備維修與保障工作。