高榮華 徐軍 章枧 鄭富磊

摘 要：飛機(jī)舵機(jī)作為自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能直接影響自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的性能。本文介紹了一種用于通用飛機(jī)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的電動(dòng)舵機(jī)的設(shè)計(jì)，從通用飛機(jī)電動(dòng)舵機(jī)的功能、性能、總體組成、工作方式、部件的選擇和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)幾個(gè)方面進(jìn)行了描述和介紹。最后對設(shè)計(jì)完成的電動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行了功能和性能測試，并給出了舵機(jī)的測試結(jié)果和結(jié)論。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)舵機(jī) 通用飛機(jī) 控制器 直流電機(jī)

中圖分類號(hào)：TJ765 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（c）-0127-02

舵機(jī)作為自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，其性能也直接影響到整個(gè)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)中的工作。隨著自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的發(fā)展，舵機(jī)性能的提高成為進(jìn)一步改進(jìn)飛行控制系統(tǒng)性能的重要環(huán)節(jié)。目前一般飛機(jī)飛行1000 h才允許出一次故障，所以對舵機(jī)的安全性和可靠性也提出了很高的要求[1]。

1 舵機(jī)功能描述

本舵機(jī)適用于通用飛機(jī)，按照《中華人民共和國通用航空飛行管制條例》中的規(guī)定，通用航空，是指除軍事、警務(wù)、海關(guān)緝私飛行和公共航空運(yùn)輸飛行以外的航空活動(dòng)，包括從事工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、礦業(yè)、建筑業(yè)的作業(yè)飛行和醫(yī)療衛(wèi)生、搶險(xiǎn)救災(zāi)、氣象探測、海洋監(jiān)測、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、遙感測繪、教育訓(xùn)練、文化體育、旅游觀光等方面的飛行活動(dòng)。用于這些活動(dòng)的飛機(jī)稱為通用飛機(jī)。[2]

本舵機(jī)為電動(dòng)位置運(yùn)動(dòng)舵機(jī)，是自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)固定翼飛機(jī)舵面運(yùn)動(dòng)，從而控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)和軌跡。

本電動(dòng)舵機(jī)接收自動(dòng)駕駛儀發(fā)出的指令信號(hào)，經(jīng)過舵機(jī)控制器處理，形成舵機(jī)控制電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)經(jīng)過齒輪系的減速后，輸出合適的轉(zhuǎn)速及力矩，通過鋼索拉動(dòng)舵面。本舵機(jī)還有安全保護(hù)離合，可以在一定情況下脫開舵機(jī)和舵面的連接。該舵機(jī)擁有較長的使用壽命和易維護(hù)性。

2 舵機(jī)總體設(shè)計(jì)

2.1 總體組成

本舵機(jī)由電機(jī)組件、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械支架、電磁鐵、繼電器等部分組成。

（1）電機(jī)組件包括電機(jī)、編碼器、舵機(jī)控制器三部分組成。

（2）機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括齒輪減速箱、離合器、減速齒輪系、鋼索絞盤等組成。

（3）機(jī)械支架包括舵機(jī)控制器的固定板、電機(jī)和電磁鐵的支架、離合器支架等。起到對電機(jī)套件和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的支撐和固定作用

2.2 舵機(jī)的工作方式

舵機(jī)使用28 V電源進(jìn)行供電。電機(jī)通過齒輪減速箱、離合器、齒輪減速系帶動(dòng)鋼索絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)，拉動(dòng)舵面運(yùn)動(dòng)的鋼索纏繞在鋼索絞盤上，鋼索絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鋼索拉動(dòng)舵面運(yùn)動(dòng)。

舵機(jī)控制器使用串行通信接口與自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行連接。舵機(jī)控制指令采用ASCII碼格式，通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議。

在自動(dòng)駕駛儀暫停或者停止工作時(shí)，離合器脫開，斷開齒輪傳動(dòng)，從而脫開舵機(jī)和舵面之間的連接。使用離合器控制命令控制離合器時(shí)，通過自動(dòng)駕駛儀給舵機(jī)控制器發(fā)送離合器控制命令，舵機(jī)控制器接收指令并發(fā)出離合器控制信控制繼電器，繼電器控制離合器的吸合。

3 舵機(jī)部件的設(shè)計(jì)

舵機(jī)部件的基本選擇要求：（1）滿足功能和任務(wù)要求。（2）滿足尺寸及重量要求。（3）電壓一致性，就是簡化舵機(jī)的供電，使用相同的工作電壓。（4）工作穩(wěn)定，使用盡量成熟的產(chǎn)品、部件或者結(jié)構(gòu)。

3.1 電機(jī)套件的設(shè)計(jì)

3.1.1 電機(jī)的選擇

有刷電機(jī)啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對簡單，電刷換向器會(huì)磨損。但是碳刷換向器的使用壽命已經(jīng)可以滿足飛機(jī)飛行時(shí)間要求，考慮有刷電機(jī)的成本較低，故而選擇有刷電機(jī)，工作壽命大于3000 h。

3.1.2 編碼器的選擇

磁編碼器采用磁電式設(shè)計(jì)，利用磁器件代替了傳統(tǒng)的碼盤，彌補(bǔ)了光電編碼器的缺陷，更具抗震、耐腐蝕、耐污染、性能可靠高、結(jié)構(gòu)更簡單。由于舵機(jī)工作環(huán)境的復(fù)雜性，所以編碼器選取磁編碼器。

3.2 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.2.1 減速箱的選擇

齒輪減速箱分為直齒結(jié)構(gòu)減速箱、行星結(jié)構(gòu)減速箱和混合結(jié)構(gòu)減速箱。

在齒輪減速箱中，行星齒輪減速箱以其體積小，傳動(dòng)效率高，減速范圍廣，精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等傳動(dòng)系統(tǒng)中。本舵機(jī)選取的也是行星齒輪減速箱。

3.2.2 齒輪減速系和鋼索絞盤的設(shè)計(jì)

減速系采用齒輪減速，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速后將舵機(jī)（鋼索絞盤）總輸出轉(zhuǎn)速減速至需要的轉(zhuǎn)速，總輸出轉(zhuǎn)矩不小于舵面需要克服的力矩。通過電磁鐵的控制離合器，可完成齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的嚙合和松開。

4 舵機(jī)測試

使用iHAWK Simbox仿真計(jì)算機(jī)對舵機(jī)進(jìn)行測試，包括對舵機(jī)的功能和性能測試兩個(gè)方面。

4.1 舵機(jī)功能測

使用iHAWK Simbox仿真計(jì)算機(jī)給舵機(jī)控制器發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制命令和離合器控制命令，舵機(jī)能夠正確執(zhí)行命令進(jìn)行位置控制，并觀察舵機(jī)離合能夠按照命令正常吸合和斷開。

4.2 舵機(jī)性能測試

對舵機(jī)的帶寬進(jìn)行測試，給舵機(jī)輸入形式為Asinwt的正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，以舵機(jī)的輸出角度為輸出，測試舵機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。

5 結(jié)論

該電動(dòng)舵機(jī)的部件選取合適，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、耐用。功能上能夠接收自動(dòng)駕駛儀發(fā)出的控制指令并正確執(zhí)行指令，能夠通過離合器完成絞盤輸出的斷開和接通，動(dòng)態(tài)特性能滿足通用飛機(jī)對電動(dòng)舵機(jī)的要求。

參考文獻(xiàn)

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[4] 閔榮，王永軍，王俊彪.電動(dòng)舵機(jī)快速設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2011（7）：72-75.

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