大推力高精度智能變距拉桿技術研究

莫勝波， 馬志赟， 魚鵬飛， 丁云鵬， 蔡興濤， 汪佳斌

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

直升機旋翼誘發的振動會引起乘員產生不適感，使精密儀器精度降低，還會引起某些構件產生疲勞損傷和破壞，直接影響直升機的可靠性和飛行安全[1-2]。直升機的振動特性是由不旋轉坐標系中的諧波激振決定的，一般來說懸停時振動較小，并隨前飛而增大[3]。為了降低直升機的振動水平，出現了一種基于智能變距拉桿(Smart Pitch Rod，SPR)的旋翼主動減振技術，通過對直升機旋翼系統實時在線監測，并通過主動式動態控制手段調整變距拉桿長度恢復旋翼系統動平衡狀態。

目前，國外已經實現智能變距拉桿在關鍵技術上的突破和產品的研制，并應用在直升機旋翼實時調整(In-Flight Tuning，IFT)系統上，在CH-53G超大型直升機上完成了試驗驗證[4-9]，如圖1所示。在國內，直升機旋翼平衡測量與調整技術領域的研究起步較晚，主要集中在理論研究上[10-11]，工程化應用程度不高，也沒有研制用于直升機旋翼調整的智能變距拉桿的工程經驗。

圖1 CH-53G直升機換裝SPR

智能變距拉桿是機電一體化的數字伺服控制系統，作為直升機旋翼系統實時調整系統的終端執行機構，IFT系統通過智能變距拉桿獨立調節槳葉迎角，達到降低旋翼1/rev 振動的目的。與傳統調整方法不同的是，智能變距拉桿不需要調整槳葉配重或后緣調整片，僅通過控制算法自動小幅調整變距拉桿以達到調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、智能監測與診斷等特點。在工程實踐中發現，伺服系統在低速和高精度工況運行，電機常常會出現走走停停和低速爬行的現象[12]，其主要原因是傳感器精度不足帶來的結構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噪聲的數字濾波法[13]、狀態觀測器法[14]、補償摩擦力矩的庫倫+粘滯模型[15]和Stribeck 模型[16]等摩擦補償方法，另外還有模糊控制法、神經網絡法等智能控制方法用于伺服系統的控制[17-18]。

本文針對智能變距拉桿低速和高精度的伺服特點，介紹了可行的技術解決方案，提出了一種帶摩擦正反饋補償的控制方法和由行星滾柱絲杠、力矩限制器以及高精度角度編碼器等組成的伺服作動結構。經試驗表明，智能變距拉桿的伺服性能達到了IFT系統的使用要求。

1 旋翼平衡實時調整原理

IFT系統由智能變距拉桿、旋翼平衡感知單元、集流環、控制單元、人機交互裝置和地面維護終端等組成，如圖2所示。智能變距拉桿取代了傳統機械式變距拉桿，其調整旋翼平衡的原理是IFT系統通過對基于光學跟蹤的旋翼錐體實時監測，在控制單元內進行實時調整系統控制律計算，最終通過智能變距拉桿調整槳葉槳距，通過空氣動力作用使槳葉達到預期的平衡狀態。

圖2 IFT系統組成

智能變距拉桿的控制信號來自于控制單元，通過RS485總線傳輸。控制單元的控制指令是實時仿真機經最優控制方法解算出的相對位移量(相對于變距拉桿初始零位)，智能變距拉桿接收到控制指令后，隨即進行伺服控制，并將伺服結果通過另一組RS485總線上傳到控制單元中。

2 智能變距拉桿設計

智能變距拉桿本質是一個電動伺服作動器，是IFT系統的末端執行機構。通過細微調整變距拉桿的長度，調整槳葉迎角，可以達到消除旋翼不平衡狀態的目的。

智能變距拉桿作為槳葉和自動傾斜器的連接裝置，一方面替代了傳統的機械式變距拉桿，實現槳葉的周期變距控制，另一方面集成了有限行程的電動控制功能，實現IFT系統對各槳葉槳距的在線微調功能。

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

表1 主要技術指標

智能變距拉桿技術完成的主要研究內容是：① 傳動機構小型化、機電一體化的結構設計；② 高精度、大推力的伺服系統設計。

2.1 機械及傳動結構

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

圖3 變距拉桿機械傳動結構組成

變距拉桿使用行星滾柱絲杠副作為旋轉運動轉化為直線運動的機械裝置，相比于滾珠絲杠和梯形絲杠，其特點是：① 承載高，壽命長；② 效率高，滾柱絲杠用滾動摩擦代替滑動摩擦，潤滑良好的情況下效率可達90%；③ 加速、減速的能力好；④ 振動、噪聲較小；⑤ 能適應惡劣環境；⑥ 拆卸方便[19]。針對變距拉桿大載荷和高精度的技術要求，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，改善了低速時摩擦力的非線性影響，有利于實現高精度伺服控制。

變距拉桿傳動部分的工作原理是：以直流無刷電機為動力源，經直齒減速齒輪減速后，通過行星滾柱絲杠副將旋轉運動轉化為機構輸出軸的直線往復運動，通過機械限位組件保證結構行程不超出安全范圍。通過桿端軸承旋轉調節實現拉桿長度的手動調整，電機尾部的角度編碼器用于電機速度的精確測量，與行星滾柱絲杠副并聯的高精度角度編碼器實現對位置反饋信號的實時檢測。

2.2 控制系統結構

智能變距拉桿的指令信號來自于控制單元，通過RS485總線傳輸。指令信號包含了一組實時變化的拉桿相對長度位置、變距拉桿使能和位置查詢的狀態；變距拉桿的反饋信息包括了變距拉桿的工作/故障狀態和實時伺服位置。變距拉桿控制系統組成如圖4所示。

圖4 變距拉桿控制系統組成

智能變距拉桿的特點是低速和高精度，而低速高精度控制一直是個沒有很好解決的問題。低速運動時，普遍存在速度波動變大、平穩性降低、控制精度變差和小信號軌跡難以跟蹤的問題[20]。

為了實現對位置的精確伺服，智能變距拉桿采用三環控制方法，將電流、電機速度和輸出軸位置引入負反饋中，利用位置反饋實現位置的閉環控制，利用速度限制器實現速度限幅(0.13 mm/s)和增加系統阻尼，利用電流環實現電流截止負反饋平滑啟動的過程。位置控制通過高精度位置信號和引入積分控制器實現高精度控制。

電機采用直流無刷伺服電機，控制模式采用脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation,PWM)速度控制，利用速度編碼器測量電機轉速，設置了電流環控制，對電機進行電流保護。電機控制的其他匹配參數包括：極限轉速限制、變速和延遲參數、最小轉速等，經過多組參數的匹配和試驗，保證了變距拉桿在額定載荷下的低速伺服的穩定性和精度。此外，為了增加電機速度采樣精度，在電機軸上配置了專門用于電機速度閉環控制的角度編碼器，提高了電機速度閉環控制的性能。

在位置傳感器的選擇上，根據伺服控制的工程經驗，同時考慮到硬件成本，傳感器精度一般比控制目標精度高3～4倍。高精度的線性可變差動變壓器(Linear Variable Differential Transformer,LVDT)或者電位計是位置反饋傳感器的最初選擇目標，但是目前市場上的高精度LVDT或者電位計均很難滿足絕對精度在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到使用要求，但它們的環境適應性不好，很難適應變距拉桿所處的高能振動環境。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關系間接測量絲杠(輸出軸)的位置，這樣既可以保證測量精度，同時也保證了較強的環境適應性。

根據計算，行星滾柱絲杠副的絲母伺服精度需保證在1.8°以上。選用的高精度絕對式角度編碼器，靜態精度能達到0.098°以上，且具有良好的動態性能，可滿足使用要求。

絕對式角度編碼器采用了以RS422總線硬件為基礎的SSI(Synchronous Serial Interface,同步串行接口)通信模式，其時序如圖5所示。T為時鐘周期，Trc為數據周期，數據結構中，D23為有效位，D22為零位默認位。編碼器有2種零位狀態，一種是出廠零位，其零位是固定的；另一種是人工零位，可以根據用戶使用需要設定特定位置為零位。D21～D0為數據位，D0為LSB。

圖5 SSI數據時序圖

根據角度編碼器的人工零位設置方法，智能變距拉桿自動控制行程標零的過程是先控制電機拖動滾柱絲杠副的絲母運動到機械限位位置，并設置當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，在位置伺服的控制律中，位置反饋中增加Δ=s/2(s為機械行程)作為新的位置反饋信號。采用上述方法，大大簡化了高精度伺服控制系統的尋零工作。

2.3 伺服控制方法

電機電樞回路的瞬態方程為

(1)

式中：CeΦ=Ke為反電勢常數；U為外加電壓(V)；Ra為電樞內阻(Ω)；La為電感(H)；ia為電樞電流瞬時值(A)；ω為電機轉速(rad/s)。

伺服系統的動力學方程為

(2)

式中：Tem為電機的電磁轉矩(N·m)；JΣ為系統的總轉動慣量(N·m·s2);TL為負載轉矩;Tf為摩擦轉矩。

式(2)經拉普拉斯變換后，可得：

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

(3)

Tem-TL-Tf=JΣωs

(4)

基于以上關系可建立智能變距拉桿帶摩擦正反饋補償的傳遞函數模型,如圖6所示。

圖6 控制原理框圖

3 測試結果

為了測試智能變距拉桿的功能和性能，建設了變距拉桿的地面加載測試設備，并在風洞環境下測試了旋翼平衡實時調整的效果。

3.1 靜態測試試驗結果

靜態測試試驗是在實驗室的專用直線加載測試臺上完成的，直線加載測試臺分為軟件部分、電氣部分和機械部分，加載臺最大載荷為25 kN，直線測量精度為0.005 mm以上。加載測試環境如圖7所示。加載控制臺和測試軟件界面如圖8所示。

圖7 加載測試環境

圖8 加載控制臺和測試軟件界面

試驗按4000 N的最大載荷對6只智能變距拉桿分別進行了直線加載測試(順載和逆載)，測量結果顯示，智能變距拉桿的靜態精度達到了0.01 mm以內，滿足使用要求，如圖9所示。

圖9 順載4000 N精度測試結果

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

為了排除間隙對測量結果的影響，在直線加載試驗中首先施加載荷力，待載荷穩定后標定位移點為初始零點，再控制作動器作動并開始測量結果，這樣就能排除接口間隙對測量結果的影響。

3.2 風洞試驗結果

在中國直升機設計研究所的低速風洞中對4種不同前飛狀態和懸停狀態的旋翼平衡調整效果進行了試驗，測量了智能拉桿控制前后臺體1 Ω振動值變化情況，如圖10所示。從圖10中可以看出，對智能拉桿進行位移控制后，能有效降低臺體1 Ω振動值，且X、Y、Z3個方向都能降低。在不同狀態下，臺體1 Ω振動值降低在30%～67%之間，基本能控制在0.2 in/s以內。智能變距拉桿調整對旋翼振動控制的效果十分明顯。

圖10 臺體1 Ω振動值變化情況

4 結束語

由地面加載試驗結果可知，根據IFT系統使用要求設計的旋翼智能變距拉桿的直線伺服精度達到了0.01 mm，額定推力可達4000 N，滿足使用要求。風洞試驗結果表明，通過旋翼智能變距拉桿調整旋翼平衡能有效降低旋翼振動水平，最高降幅50%。智能變距拉桿的伺服精度與國外先進產品相當，雖然額定載荷不如國外先進產品，但體積和重量較小，載荷體積比和載荷重量比指標均達到國外先進水平。

旋翼智能變距拉桿首次在國內試制成功，并在IFT系統上完成了旋翼平衡實時調整試驗，驗證了IFT系統的有效性和可行性，提升了技術成熟度，為解決直升機錐體不平衡問題提供了新的技術手段，技術成果可用于降低直升機的振動水平，延長旋翼使用壽命。