谈双余度电动舵机的余度策略及工程实现

肖鹏斌

（海军装备部，甘肃　兰州　730070）

谈双余度电动舵机的余度策略及工程实现

肖鹏斌

（海军装备部，甘肃兰州730070）

舵机作为飞控系统的执行部件，它的故障直接影响飞行系统的正常工作，采用多余度舵机能有效提升改进飞控系统性能、提高飞行可靠性、安全性。本论述首先简要讨论了余度综合形式、余度管理方式及舵机的传动方式等余度策略，然后以DD16型双余度电动舵机为例，从工作原理出发，讨论了余度策略、余度设计、结构设计及可靠性设计，从工程实现的角度出发，对余度综合形式、余度管理方式及优化设计、耐环境设计等方面的内容展开了讨论。

双余度；电动舵机；余度策略；工程实现

1　余度综合形式

目前双余度舵机主要采用以下三种综合形式：磁通综合、力矩综合和速度综合。

1.1磁通综合

磁通综合方式一般采用一台双绕组电机作为舵机动力源，采用双控制器，一个控制器控制一个绕组，构成双通道。其特点是通过对电机两个绕组的磁通进行控制，实现磁通综合输出方式。通过监测系统对两个通道中的故障情况进行监测，并实现有效的故障隔离。允许一次故障工作。

其工作原理框图见图1所示。

图1　磁通综合工作原理框图

1.2力矩综合

力矩综合方式由两套独立的单电机控制系统组成，其特点是通过对两台电机的力矩进行控制，实现力综合输出方式。通过监测系统对两个通道中的故障情况进行监测，并实现有效的故障隔离。允许一次故障工作。

其工作原理框图见图2所示。

图2　力矩综合工作原理框图

1.3速度综合

速度综合方式由两套独立的单电机控制系统组成，其特点是通过对两台电机的速度进行控制，实现速度综合输出方式。通过监测系统对两个通道中的故障情况进行监测，并实现有效的故障隔离。允许一次故障工作。

其工作原理框图见图3所示。

图3　速度综合工作原理框图

2　余度管理方式

双余度舵机的余度管理根据运行方式的不同，可分为主动并列运动和备用转换运动。

2.1主动并列式运动

主动并列式运动是指正常状态下，两个通道同时工作；当其中一个通道出现故障时，自动停止故障通道的工作，系统自动进入到单通道工作方式。

由于主动并列式运动时，三种余度综合形式中的两个电机是同时工作的，解决两个电机同时工作引起的平衡问题是这种余度管理方式的难点。

2.2备用转换式运动

备用转换式运动是指正常状态下，只有一个通道工作；当该通道出现故障时，系统自动切断该通道的工作，进入到另一通道的工作。

3　电动舵机的几种传动结构

（1）圆柱、圆锥齿轮传动

圆柱、圆锥齿轮传动是最常见的传动结构，制造简单方便，效率高，但实现大传动比时，体积大。

（2）行星齿轮传动

行星齿轮传动在实现大传动比时，体积较小，但要求加工精度高，结构较为复杂，效率较低。目前国内生产厂家较少。

（3）谐波齿轮传动

谐波齿轮传动结构较前两项传动结构比较，在相同传动比的情况下，具有体积最小、传动精度最高、传动最平稳、同轴性好等优点，且密闭性好，但传动效率较低，输入转速不能太高。

（4）滚珠丝杠传动

滚珠丝杠传动是目前较先进的传动结构，其传动精度、效率均高于齿轮传动结构，传动比大，自锁力矩小。输出方式为线位移输出。

4　DD16型双余度电动舵机的工作原理及余度策略

4.1工作原理

DD16型双余度电动舵机是某型飞行控制系统的执行机构，当飞控系统接通后，伺服控制器1（或2）开始工作，此时，电磁离合器1（或2）接通，无刷电机1（或2）接收伺服控制器1（或2）的控制信号，经电磁离合器1（或2）及传动机构带动输出轴按控制指令转动到规定位置，同时测速机1（或2）、电位计1A、1B（或2A、2B）将电机速度和输出轴角位置信号反馈至伺服控制器1（或2），使伺服控制器1（或2）完成对舵机的监控和控制任务。

DD16型双余度电动舵机工作原理框图见图4所示。

图4DD16型电动舵机原理框图

4.2余度策略

DD-16型双余度电动舵机由两个通道构成，每个通道均由一个无刷电机、一个测速机、一个电磁离合器、一个双联电位计组成，同时舵机的伺服控制器也由两个组成，一个伺服控制器控制一个通道。

该电动舵机采用备用转换式运动的余度管理方式。当飞控系统工作正常时，伺服控制器1（或2）控制舵机的通道1（或2）正常工作，此时通道2（或1）不工作；当通道1（或2）发生故障时，飞控系统自动切断该故障通道，进入到通道2（或1）工作，从而实现一次故障工作。

4.3余度设计

双余度电动舵机采用备用转换式运动的余度管理方式。舵机具有两个通道，每个通道均由一个无刷电机、一个测速机、一个电磁离合器、一个双联电位计组成。两个通道之间通过电磁离合器进行切换。当自动飞行控制系统接通后，先由通道1承担伺服任务，此时，电磁离合器1接通工作，电磁离合器2断开；伺服任务由通道1单独完成；当系统检测到通道1故障后，将进行通道切换，将伺服任务切换到通道2，接通电磁离合器2，并断开电磁离合器1，将通道1隔离，实现一次故障工作。

4.4结构设计

4.4.1舵机动力源

该型双余度电动舵机动力源采用永磁无刷直流电机，该类型电机具有以下优点：

（1）具有直流电机那样的优良特性，转速和效率都较高；

（2）由直流电源供电，没有电刷和换向器，不会造成磨损和产生电火花，这一性能提高了产品的电磁兼容性、使用寿命和可靠性；

（3）电机没有换向器，长时间不易氧化，适用长期储存。

4.4.2减速器

双余度电动舵机减速器采用渐开线齿轮传动，该类型齿轮传动效率高，运动平稳、灵活。齿轮材料选用不锈钢4Cr13和2Cr13，表面采用表面淬火和硫氮共渗表面处理工艺，以提高齿轮的强度和抗磨损能力，延长减速器齿轮工作寿命。

为减小舵机的体积和重量，减速器采用四级减速，减速比为720。

4.4.3电磁离合器

双余度电动舵机的电磁离合器是控制舵机接入工作和断开工作的控制机构，也是舵机余度切换的装置。当电磁离合器1（或2）接通，电磁离合器2（或1）未接通时，通道1（或2）工作，通道2（或1）不工作，此时将电机1（或2）的动力经过减速器输出到输出轴上；当电磁离合器1、2均未接通时，舵机输出轴处于自由状态，此时可由人工操纵。

电磁离合器同时也是舵机的安全装置，通过控制电磁离合器，可在任何情况下自动或人工切除自动飞行控制系统，改为人工操纵。

为了确保电磁离合器有足够的负载能力，同时能够可靠分离，电磁离合器选用梯形齿牙嵌式离合器，通电后产生的电磁力使离合器的输入与输出端吸合，断电后通过返回弹簧将输入与输出端分离。通过调整电磁铁的气隙，可使其吸合电压不大于22 V，释放电压大于1 V。

4.4.4摩擦离合器

双余度电动舵机的摩擦离合器安装在输出轴端，处于舵机传动系的末端，这样就消除了中间环节可能造成摩擦打滑失效的故障模式。

摩擦离合器是舵机的安全装置，其作用在于：当两个通道同时出现故障，且无法断电，也无法脱开电磁离合器时，可人工强力操纵，确保飞控系统受控。

4.4.5角位置传感器

双余度电动舵机的角位置传感器采用两个双联导电塑料电位计，其作用在于当其中任意一联的电位计出现故障时，飞控系统仍可通过其他3联电位计的信号对舵机进行有效控制，实现一次故障工作。

该电位计分辨率高、线性度好，且工作可靠、寿命长。

4.4.6速度传感器

速度反馈传感器的作用在于给伺服控制器提供电机的速度反馈，以提高伺服控制器的控制品质。

4.4.7行程开关

行程开关用于限制自动飞行控制系统的控制权限，由微动开关和相关机构（凸轮等）组成。当舵机输出轴的转角超出限制范围时，凸轮机构即可触动微动开关，使系统能够及时发现并采取相应措施。

4.5优化设计

在保证舵机性能要求的前提下，简化舵机结构，尽可能实现零、组、部件的标准化、系列化与通用化，控制非标零、组、部件的比例，优先选用标准化的材料、紧固件和辅助材料，减少标准件、紧固件及元器件的规格及品种，尽可能采用经过实际考核的零、组、部件；设计时考虑了整体结构的合理性，选用典型结构，保证产品中零组件受力均匀，避免应力集中。

4.6耐环境设计

舵机在实际使用时可能会遇到恶劣环境或人为错误的影响，为防止此类情况给产品带来的损害，在设计时采用以下的防护设计措施：

（1）所用电连接器、导线具有足够的电负荷余量，可防止瞬态浪涌和过电流造成的损坏；

（2）设计时考虑了“三防”。结构设计时避免允许湿气积存的结构形状，避免电偶腐蚀；零件所用金属材料选用耐腐蚀的不锈钢、铝合金和铜等材料，并对零件表面进行氧化处理，紧固件选用耐腐蚀不锈钢材料，防止电化学腐蚀；采用退火等热处理方法，减低金属或合金对于应力腐蚀的敏感性；电连接器选用外壳为复合材料的产品，以满足舵机抗盐雾能力；选用不长霉的材料，舵机壳体表面喷涂三防漆进行保护；

（3）结构设计时考虑了振动应力的影响，保证元器件、零组件的安装刚性，尽量缩短引线的长度，且连接导线采取固定缩紧措施，紧固件均用弹簧垫圈或螺纹缩紧胶锁紧。

4.7电磁兼容性设计

（1）舵机装配时，在壳体结合面涂导电密封胶进行密封，同时在壳体上保留搭铁部位，防止电磁泄露；

（2）在传输导线上采用磁珠吸收电磁波，以消除对外界干扰；

（3）引出壳体的导线通过馈通滤波器连接。

5　结束语

DD16型双余度电动舵机通过各项试验，其余度设计及结构设计切实可行，各项性能指标均符合使用要求，稳定可靠，有效验证了双余度策略在舵机设计中关键作用。

［1］ Rik De Doncker.先进电气驱动的分析、建模与控制［M］.连晓峰，等译.北京：机械工业出版社，2013.

［2］ 吴森堂.飞行控制系统［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2013.

［3］ 詹纪鸿.电动执行机构［M］.上海.上海科学技术出版社，2013.

［4］ 刘冠志.双余度舵机控制系统设计［J］.微电机，2010（01）.

［5］ 李幼涵.运动控制技术与应用［M］.北京.北京航空航天大学出版社，2012.

［6］ 奥博连斯基.航空舵机系统设计引论［M］.北京：中航出版传媒有限责任公司，2013.

V242

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.04.006

2016-2-15

肖鹏斌（1983-），男，湖南永州人，大学本科，工程师，主要研究方向：质量监督及可靠性工程研究。