姚 翔，肖銳鋼，郭敏華，張 旭，向 往

(四川航天燎原科技有限公司，四川 成都 610100)

電動(dòng)舵機(jī)是一個(gè)非線性的機(jī)電一體化系統(tǒng)，由伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、舵面和反饋機(jī)構(gòu)等組成，能實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)輸入運(yùn)動(dòng)到舵面輸出運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。電動(dòng)舵機(jī)中包含若干非線性因素，控制電路的非線性因素包括PWM功放電路電壓飽和以及死區(qū)、限幅電流值等。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的非線性因素包括摩擦、傳動(dòng)間隙等[1]。電機(jī)本身也是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)。非線性因素會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能下降，甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。

筆者以某型號(hào)靶機(jī)為研究背景，開展舵機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)以及樣機(jī)研制工作?；谠O(shè)計(jì)的舵機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，開展舵機(jī)裝配以及舵機(jī)性能測試工作，并研究了該結(jié)構(gòu)所造成的舵機(jī)非線性因素對(duì)系統(tǒng)的影響，分析了該結(jié)構(gòu)形式的不足之處，并提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，使得舵機(jī)性能明顯改善，有效消除了非線性因素帶來的影響。該研究對(duì)高帶寬、高控制精度電動(dòng)舵機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 舵機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式

目前，系統(tǒng)響應(yīng)帶寬在10 Hz以上的舵機(jī)大多采用電動(dòng)形式，電動(dòng)舵機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)形式由伺服電機(jī)、減速器(滾珠絲桿副、多級(jí)齒輪傳動(dòng)或諧波齒輪等)、撥叉、舵軸、本體、電位計(jì)等部件組成。筆者基于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿副、撥叉組合形式的舵機(jī)作為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式簡單，零件數(shù)目較少。伺服電機(jī)采用有刷直流電機(jī)，直接驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿螺母軸伸插入撥叉滑槽中，再插入本體導(dǎo)向槽中，本體導(dǎo)向槽限制了螺母的旋轉(zhuǎn)自由度，使得螺母只有上、下移動(dòng)的單自由度。螺母軸伸驅(qū)動(dòng)撥叉、舵軸旋轉(zhuǎn)，最終使得舵片偏轉(zhuǎn)。電位計(jì)通過支座與舵軸同軸連接，舵軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電位計(jì)軸旋轉(zhuǎn)，反饋位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

2 結(jié)構(gòu)非線性特性

2.1 非線性環(huán)節(jié)來源

舵機(jī)由于結(jié)構(gòu)加工、制造、裝配等原因，通常存在傳動(dòng)間隙、死區(qū)、摩擦、接觸等非線性環(huán)節(jié)[2]，其非線性環(huán)節(jié)產(chǎn)生于具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸零部件處，其中間隙和摩擦是主要的非線性環(huán)節(jié)，間隙較大或者摩擦較大會(huì)給舵系統(tǒng)控制造成不良影響。

圖1撥叉式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中，非線性環(huán)節(jié)存在以下幾處：

1)螺母軸伸與撥叉之間的連接；

2)螺母軸伸與本體導(dǎo)向槽之間的連接；

3)滾珠絲桿副內(nèi)部傳動(dòng)摩擦。

上述所有非線性環(huán)節(jié)均會(huì)對(duì)系統(tǒng)總的摩擦力和間隙產(chǎn)生影響，越是靠近傳動(dòng)機(jī)構(gòu)末端的環(huán)節(jié)，其造成的影響越大，因此需要特別關(guān)注舵軸軸承裝配、絲桿螺母軸伸與撥叉之間的連接、螺母軸伸與導(dǎo)向槽之間的連接、電位計(jì)與舵軸的連接。

2.2 非線性環(huán)節(jié)分析

本文撥叉式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中[3]，螺母軸伸與撥叉之間的連接采用間隙配合，若采用過渡或緊配合，該處相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力會(huì)大幅提高，甚至卡死，因此間隙量的控制尤為重要。軸伸與撥叉之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的接觸，理論上是均勻的線接觸，摩擦力值應(yīng)連續(xù)且穩(wěn)定。但在舵片受負(fù)載時(shí)，因?yàn)殚g隙的緣故，撥叉與螺母軸伸之間的線接觸可能會(huì)變化成兩個(gè)點(diǎn)接觸，導(dǎo)致兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其摩擦力值產(chǎn)生突變且增大，甚至傳動(dòng)出現(xiàn)卡滯，如圖2、3所示。

同理，螺母軸伸與本體導(dǎo)向槽之間的連接也存在上述問題。這兩處的裝配形式產(chǎn)生的耦合作用，將會(huì)大幅度降低傳動(dòng)的穩(wěn)定性和提高摩擦力，還會(huì)產(chǎn)生沖擊和噪聲，較長時(shí)間的摩擦、傳動(dòng)后，會(huì)導(dǎo)致接觸面的磨損，進(jìn)一步加大間隙，嚴(yán)重影響系統(tǒng)控制精度。

滾珠絲桿副為成熟套件，可承受負(fù)載傳動(dòng)且摩擦力較小，因此滾動(dòng)絲桿副內(nèi)部傳動(dòng)摩擦可忽略不計(jì)。

3 舵機(jī)(撥叉式)試驗(yàn)測試

為進(jìn)一步研究該結(jié)構(gòu)舵機(jī)的性能和控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性，基于PID進(jìn)行舵機(jī)控制算法的編寫，配合機(jī)械負(fù)載測試平臺(tái)和Labview編寫的舵機(jī)測試軟件[4-5]，對(duì)撥叉式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)舵機(jī)進(jìn)行性能指標(biāo)測試，在舵片上加載一根0.5 N·m/(°)彈性梯度的彈簧桿，模擬實(shí)際飛行過程中的動(dòng)態(tài)鉸鏈力矩特性。

對(duì)舵機(jī)進(jìn)行1～10 Hz帶寬掃頻測試和20°大舵偏測試，部分測試結(jié)果如圖4～7所示。

分析上述掃頻測試結(jié)果可知：

1)1 Hz時(shí)舵反信號(hào)出現(xiàn)“平頂”現(xiàn)象，這是因?yàn)榇颂巶鲃?dòng)換向時(shí)，摩擦力出現(xiàn)了不連續(xù)變化的情況，以及整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在間隙，造成了該現(xiàn)象；另一方面，整個(gè)響應(yīng)曲線的平滑度不佳，這也是因?yàn)樵趥鲃?dòng)過程中，隨著舵片所受扭矩的變化，導(dǎo)致傳動(dòng)環(huán)節(jié)摩擦力產(chǎn)生突變，引起曲線不光滑。5～9 Hz掃頻時(shí)，隨著信號(hào)頻率的提高，非線性因素造成的不利影響更為明顯，在較高頻率時(shí)，響應(yīng)曲線出現(xiàn)了諧振峰，嚴(yán)重影響舵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。在測試過程中，傳動(dòng)時(shí)伴隨有較大的噪音，這是因?yàn)闄C(jī)械間隙所致，此狀態(tài)下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度較差，傳動(dòng)效率較低，系統(tǒng)功耗較大；另一方面，間隙會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)結(jié)構(gòu)件加快磨損，進(jìn)一步增大間隙。在較高頻率測試時(shí)，響應(yīng)曲線會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，這也是因?yàn)閭鲃?dòng)摩擦、結(jié)構(gòu)卡滯所造成。

2)分析20°-0.1Hz正弦信號(hào)測試結(jié)果，在舵片換向時(shí)(信號(hào)曲線峰值處)，處于最大舵偏，舵片所受負(fù)載最大，導(dǎo)致傳動(dòng)摩擦力最大，引起動(dòng)態(tài)性能、控制效率顯著下降，響應(yīng)曲線出現(xiàn)自激振蕩。

3)該撥叉式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)存在較大的弊端，尤其是在受交變負(fù)載時(shí)，舵機(jī)控制性能不佳，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4 舵機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)撥叉式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的弊端進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，重點(diǎn)改進(jìn)摩擦、間隙較大的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，優(yōu)化后的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖8所示[6]。

該結(jié)構(gòu)將撥叉改為可安裝軸承的搖臂，絲桿螺母軸伸與搖臂軸承進(jìn)行配合，滾珠絲桿副、套筒、電機(jī)作為獨(dú)立組件進(jìn)行裝配，然后通過銷釘、軸承與本體進(jìn)行連接，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)由3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和1個(gè)移動(dòng)副構(gòu)成，傳動(dòng)簡圖如圖9所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿螺母的旋轉(zhuǎn)自由度被搖臂限制只能上下移動(dòng)，螺母上下移動(dòng)帶動(dòng)搖臂偏轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)動(dòng)副2)，轉(zhuǎn)動(dòng)副1和轉(zhuǎn)動(dòng)副3的這兩個(gè)自由度保證了轉(zhuǎn)動(dòng)副2的實(shí)現(xiàn)。

與撥叉式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相比，該形式將滑動(dòng)摩擦均更改為滾動(dòng)摩擦，減少了傳動(dòng)環(huán)節(jié)中的裝配間隙，只有軸承自身的游隙，這種優(yōu)化過后的結(jié)構(gòu)大程度降低了傳動(dòng)摩擦和間隙，尤其當(dāng)在舵片受載工況下，舵機(jī)也能保持良好的傳動(dòng)性能，在設(shè)計(jì)上規(guī)避了摩擦力突變、傳動(dòng)卡滯等情況的發(fā)生[7]。

搖臂上加工軸承孔，可成對(duì)安裝兩個(gè)軸承，軸承外壁與孔過盈配合，螺母軸伸與軸承內(nèi)壁間隙配合，保證軸承安裝時(shí)具有一定的竄動(dòng)量，方便軸伸插入軸承，軸伸上的凸臺(tái)抵住軸承內(nèi)圈，軸承外圈通過搖臂軸承孔凸臺(tái)定位。開口擋圈從另一方向抵住軸承外圈，完成定位。該裝配形式能夠保證兩個(gè)活動(dòng)構(gòu)件裝配后無間隙且能靈活相對(duì)運(yùn)動(dòng)，簡圖如圖10所示。同理，銷釘與套筒也是通過上述形式裝配，銷釘與本體采用過盈連接，保證裝配無間隙，在絲桿螺母上下移動(dòng)的同時(shí)，滾珠絲桿副組件會(huì)繞著銷釘軸線小幅度旋轉(zhuǎn)。成對(duì)安裝軸承也能夠保證較大力矩的傳遞。

5 舵機(jī)(優(yōu)化結(jié)構(gòu))試驗(yàn)測試

同理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后舵機(jī)的性能測試，對(duì)舵機(jī)進(jìn)行1～10 Hz帶寬掃頻測試和20°大舵偏測試[8-10]，部分測試結(jié)果如圖11～14所示。

分析上述掃頻測試結(jié)果可知：

1)1～9 Hz掃頻負(fù)載測試中，響應(yīng)曲線平滑流暢、過渡穩(wěn)定，無突變情況，曲線峰值處的“平頂”現(xiàn)象消失。在較高頻率掃頻時(shí)，也無諧振峰現(xiàn)象發(fā)生，無振蕩現(xiàn)象發(fā)生，整個(gè)響應(yīng)曲線對(duì)稱度都比較好。另一方面，由于該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式間隙小，結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)，因此在測試時(shí)噪音也大幅改善，整個(gè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定的控制性能。

2)在20°大舵偏測試時(shí)，響應(yīng)曲線無自激振蕩現(xiàn)象，曲線線性度在5%以內(nèi)，說明系統(tǒng)在大負(fù)載情況下，也具有較好的控制性能。

3)相較于撥叉式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理，性能更優(yōu)，更適用于需要高機(jī)動(dòng)性、快響應(yīng)性、高控制精度的舵機(jī)。

6 結(jié)束語

筆者對(duì)一種撥叉式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的舵機(jī)進(jìn)行研究，分析了該結(jié)構(gòu)形式存在的非線性環(huán)節(jié)，采用機(jī)械負(fù)載臺(tái)和Labwiew編寫的測試軟件對(duì)舵機(jī)進(jìn)行了性能測試，分析了舵機(jī)測試曲線中反映出的問題?；趥鲃?dòng)結(jié)構(gòu)的弊端，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種低摩擦力、低間隙的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，提高了整體結(jié)構(gòu)的剛度，并對(duì)新結(jié)構(gòu)舵機(jī)進(jìn)行測試，測試結(jié)果有較大改善。本文為高控制精度、高響應(yīng)帶寬電動(dòng)舵機(jī)提供了一種結(jié)構(gòu)方案。