潘延敏+李燕

摘 要：由于舵機(jī)具有位置自鎖、位置跟蹤等功能，而且可操作性、穩(wěn)定性、與數(shù)字系統(tǒng)的連接性較理想，雖然體積相對(duì)較小但輸出力矩較大，所以現(xiàn)階段在模型飛機(jī)等機(jī)電產(chǎn)品中得到較廣泛的應(yīng)用，為保證航模舵機(jī)的性能滿足飛機(jī)飛行安全性和準(zhǔn)確性的要求，本文針對(duì)影響航模舵機(jī)性能的因素展開研究，為航模舵機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)保養(yǎng)等方面工作提供參考。

關(guān)鍵詞：航模舵機(jī)；性能；影響因素

前言：舵機(jī)屬于閉環(huán)反饋伺服系統(tǒng)，在對(duì)角度調(diào)整靈活度要求高切爾需要持續(xù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)中具有重要的作用，航模舵機(jī)的動(dòng)作質(zhì)量直接決定了飛機(jī)的飛行姿態(tài)，所以是航模的重要構(gòu)成，但由于其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在運(yùn)行時(shí)需要各部件間的精密配合，影響因素多且交叉影響，所以要保證航模舵機(jī)發(fā)揮預(yù)期的性能，存在較大的困難。

一、航模舵機(jī)的運(yùn)行原理分析

控制電路板、空心杯電機(jī)、減速齒輪組、舵盤、位置檢測(cè)器等均是航模舵機(jī)的重要構(gòu)成，其中具有接收、發(fā)送信號(hào)功能，調(diào)節(jié)航模舵機(jī)狀態(tài)的控制電路板是核心；而內(nèi)含永磁體的細(xì)銅線構(gòu)成的無鐵芯中空轉(zhuǎn)子，是空心杯電機(jī)的主要形式，其空間占用和整體質(zhì)量相比傳統(tǒng)鐵芯縮減30%甚至50%[1]。在航模舵機(jī)中應(yīng)用的齒輪如果為金屬齒輪，對(duì)負(fù)載的承受能力會(huì)相比塑膠齒輪更大；在輸出軸位置的舵盤可以有效連接模型飛機(jī)和航模舵機(jī)，并進(jìn)行動(dòng)力的有效傳輸，保證航模舵機(jī)性能的實(shí)現(xiàn)[2]。在航模舵機(jī)運(yùn)行的過程中，接收信道會(huì)將接收天線所獲取的PWM控制信號(hào)傳入信號(hào)解碼電路，形成直流偏置電壓，將其與位置反饋電位器向控制電路反饋的電壓進(jìn)行對(duì)比，然后利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路將獲取的電壓作為空心杯電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)力，空心杯電機(jī)直至電壓全部消耗完畢后停止運(yùn)行，可見舵盤位置的實(shí)際效果，與獲得的直流偏置電壓大小之間具有密切的關(guān)系。

二、航模舵機(jī)的性能分析

航模舵機(jī)的性能主要通過具體的角度、扭力、速度、噪聲、重量等參數(shù)體現(xiàn)，所以在確定航模舵機(jī)性能的過程中，需要對(duì)以上各參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，保證各方面的測(cè)試結(jié)果滿足性能發(fā)揮的要求[3]。例如在角度測(cè)試的過程中，考慮到其控制信號(hào)應(yīng)用的是PWA信號(hào)，其周期、寬度分別為20ms和2ms，與舵盤0至180度的位置對(duì)應(yīng)，在舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角分別為0度、45度、90度、135度、180度的情況下，其對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的脈沖寬度分別為0.5ms、1ms、1.5ms、2.0ms、2.5ms，所以在脈沖寬度一定的情況下，保保證測(cè)試獲取的角度也為固定值。在進(jìn)行扭力測(cè)試的過程中，主要是在夾具穩(wěn)定、未崩牙時(shí)，直接對(duì)其承受扭力的上限進(jìn)行測(cè)試的過程；而在噪聲測(cè)試的過程中，主要在噪聲不高于35dBA的情況下，對(duì)噪音計(jì)間距為0.1米的航模舵機(jī)噪音進(jìn)行測(cè)試，并針對(duì)其峰值進(jìn)行分析[4]。在速度測(cè)試的過程中，需要將速度測(cè)試儀與航模舵機(jī)連接并置于暗箱之中，通過具有指針的舵盤實(shí)現(xiàn)，在此過程中主要以所獲取的最大值作為速度測(cè)試的最終結(jié)果。所以要對(duì)航模舵機(jī)性能影響因素進(jìn)行分析，只要判斷哪些因素會(huì)對(duì)航模舵機(jī)的相關(guān)參數(shù)具體值產(chǎn)生影響即可。

三、航模舵機(jī)性能的影響因素

要充分發(fā)揮航模舵機(jī)的性能，首先保保證航模舵機(jī)的各組成部分性能滿足要求，然后保證各結(jié)構(gòu)之間的匹配程度滿足要求，所以筆者認(rèn)為影響航模舵機(jī)性能的因素主要包括以下方面：

（一）航模舵機(jī)各組成結(jié)構(gòu)的性能

1、控制電路板

額定負(fù)載下，控制回路的穩(wěn)態(tài)誤差要控制在5%以下，但人們通過在相同條件下對(duì)不同種類航模舵機(jī)進(jìn)行不同型號(hào)電路板力矩測(cè)試發(fā)現(xiàn)，使用不同控制電路板的航模舵機(jī)的力矩并不一致，通常情況下，使用性能相比更優(yōu)越的控制電路板的航模舵機(jī)的力矩也較大，這說明，控制電路板的性能會(huì)直接影響航模舵機(jī)的力矩[5]。另外，人們發(fā)現(xiàn)，控制電路板所具有的不同電阻值對(duì)角度也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，例如在使用某電路板的情況下，其1.5千歐和260千歐的阻力對(duì)0.8毫米的電阻脈寬分別產(chǎn)生10度和23度的角度，對(duì)1.0毫米的電阻脈寬分別產(chǎn)生35度和42度的角度，對(duì)1.5毫米的電阻脈寬分別產(chǎn)生91度和90度的角度等?？梢娍刂齐娐钒遄陨淼男阅軙?huì)直接影響航模舵機(jī)的性能，在選擇的過程中要重點(diǎn)把握。

2.空心杯電機(jī)、減速齒輪組、舵盤、位置檢測(cè)器

由于上述結(jié)構(gòu)均屬于航模舵機(jī)的牙箱結(jié)構(gòu)，所以筆者將其綜合論述。首先，空心杯電機(jī)，其是直流、永磁、伺服微特電機(jī)，在節(jié)能性、控制的可操作性、運(yùn)行的穩(wěn)定性等方面均具有較理想的特征，在能量轉(zhuǎn)換方面效率較高，因?yàn)槠湓谶\(yùn)行的過程中鐵芯渦流會(huì)在產(chǎn)生電能消耗的同時(shí)，降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和重量所消耗的機(jī)械能，將其應(yīng)用于航模舵機(jī)可以使其重量、體積、能耗等有效的縮減，但在實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，在空心杯電機(jī)運(yùn)行的過程中會(huì)產(chǎn)生影響電路板輸出端電壓值的穩(wěn)定性，而且這種影響會(huì)隨著空心杯質(zhì)量的下降而加大，使航模舵機(jī)的速度、噪聲、扭力等均發(fā)生改變，所以要保證航模舵機(jī)的性能，在認(rèn)識(shí)到空心杯電機(jī)的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，應(yīng)盡可能提升其質(zhì)量[6]。其次，位置檢測(cè)器，其涵蓋多個(gè)磁致伸縮傳播媒體，是用于生成振蕩波和檢測(cè)感應(yīng)電壓的兩種線圈，可以在測(cè)定時(shí)間的基礎(chǔ)上測(cè)出指示位置，可見位置探測(cè)器的性能對(duì)航模舵機(jī)位置移動(dòng)的角度會(huì)產(chǎn)生直接的影響，而位置檢測(cè)器空載扭轉(zhuǎn)力矩對(duì)航模舵機(jī)的移動(dòng)靈敏度也會(huì)產(chǎn)生影響，在位置檢測(cè)器不能對(duì)航模舵機(jī)所在位置進(jìn)行感應(yīng)的情況下，飛機(jī)的實(shí)際飛行狀態(tài)和飛行方向?qū)⑹艿絿?yán)重影響，所以人們甚至直接將位置檢測(cè)器的性能作為衡量航模舵機(jī)使用壽命的重要標(biāo)準(zhǔn)。再次，減速齒輪組，一組或多組相互連接咬合，但在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中互不干涉的進(jìn)行轉(zhuǎn)速改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中所應(yīng)用的齒輪組即減速齒輪組，其一方面可以使電動(dòng)機(jī)原有的轉(zhuǎn)速下降至需要的轉(zhuǎn)速，另一方面可以對(duì)扭矩進(jìn)行合理的放大，使其滿足航模舵機(jī)運(yùn)行的實(shí)際需要，可見減速齒輪組的運(yùn)動(dòng)性能會(huì)直接影響航模舵機(jī)的扭力值和傳出的實(shí)際速度，而且減速齒輪組的結(jié)構(gòu)精度、設(shè)計(jì)等會(huì)影響航模舵機(jī)的使用壽命，所以要提升航模舵機(jī)的整體性能，應(yīng)對(duì)以上結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行合理的把握。

（二）航模舵機(jī)各組成結(jié)構(gòu)的安裝匹配程度

在進(jìn)行航模舵機(jī)裝配的過程中，首先應(yīng)使電機(jī)齒輪在電機(jī)軸位置固定，但兩者之間要保留一定的空隙；其次將電機(jī)、電位器、電路板固定于中殼，電路板與電位器、電機(jī)進(jìn)行小孔對(duì)應(yīng)插入式固定并焊接；然后將齒輪按順序固定、均勻涂抹齒輪油，此時(shí)要保證齒輪間的咬合質(zhì)量；最后，上殼和中殼位置固定并壓緊，與底盒組合并用螺釘固定，可見，安裝匹配過程相對(duì)較簡(jiǎn)單[7]。但在實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)，如果航模舵機(jī)所使用的空心杯電機(jī)、減速齒輪組、舵盤、位置檢測(cè)器為同一廠家同一批號(hào)生產(chǎn)，對(duì)航模舵機(jī)性能的影響相對(duì)較穩(wěn)定，而如果航模舵機(jī)所使用的空心杯電機(jī)、減速齒輪組、舵盤、位置檢測(cè)器為不同廠家生產(chǎn)或同一廠家不同批號(hào)生產(chǎn)，對(duì)航模舵機(jī)性能的影響將十分顯著，這在一定程度上說明航模舵機(jī)各組成結(jié)構(gòu)的安裝匹配程度對(duì)航模舵機(jī)性能也會(huì)產(chǎn)生影響。例如，筆者在控制電路板相同情況下，在選擇同一廠家同一型號(hào)的三種空心杯電機(jī)、減速齒輪組、舵盤、位置檢測(cè)器時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)不同情況下航模舵機(jī)噪音的變化幅度為3.7dBA、5伏情況下扭力的變化幅度是0.01N·m，速度的變化幅度是0.008度/秒，0.8ms、1ms、1.5ms、2.0ms、2.2ms電阻脈寬情況下，角度的變化幅度分別為5度、2度、3度、2度、5度；而筆者在選擇同一廠家不同型號(hào)的三種空心杯電機(jī)、減速齒輪組、舵盤、位置檢測(cè)器時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)不同情況下航模舵機(jī)噪音的變化幅度為5.6dBA、5伏情況下扭力的變化幅度是3.2N·m，速度的變化幅度是1.53度/秒，0.8ms、1ms、1.ms、2.0ms、2.2ms電阻脈寬情況下，角度的變化幅度分別為11度、12度、13度、12度、15度，所獲數(shù)據(jù)可說明了航模舵機(jī)各組成結(jié)構(gòu)的安裝匹配程度會(huì)影響航模舵機(jī)的性能。另外，裝配過程中具體的手段也會(huì)隨航模舵機(jī)的性能產(chǎn)生影響，例如在裝配的過程中，所使用的減速齒輪組的各齒輪咬合程度不理想，在應(yīng)用的過程中不僅會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦噪音，而且會(huì)使打齒等問題的發(fā)生概率明顯提升；航模舵機(jī)底蓋位置安裝不合理，將直接影響航模舵機(jī)的使用壽命等。這要求在航模舵機(jī)進(jìn)行安裝的過程中，對(duì)安裝的結(jié)果進(jìn)行全面評(píng)價(jià)和綜合測(cè)試，以免因安裝結(jié)構(gòu)的匹配程度不理想，導(dǎo)致航模舵機(jī)性能下降，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和飛行事故。

另外，人們發(fā)現(xiàn)舵機(jī)6伏相比5伏雖然電壓更大，轉(zhuǎn)速更高，但扭力卻相對(duì)更小，這是因?yàn)楹侥Ｃ摍C(jī)中電池的電壓是電路電流、電阻乘積與轉(zhuǎn)動(dòng)消耗電壓的和，而舵機(jī)所構(gòu)成的電路回路并不是純電阻電路，導(dǎo)致扭力小于電流，轉(zhuǎn)速小于電壓。所以在配置的過程中需要結(jié)合具體的設(shè)備構(gòu)成選擇適合的電源電池。

除上述因素外，在進(jìn)行舵機(jī)和連桿調(diào)整的過程中，如果單純的認(rèn)為連桿和舵機(jī)相連，并用遙控器后期調(diào)整，保證舵面上下能“?！痹陬A(yù)期的位置即可，這不僅會(huì)使飛機(jī)的操作性能受到嚴(yán)重影響，也會(huì)使航模舵機(jī)的控制精確性受到嚴(yán)重的沖擊，所以在進(jìn)行舵機(jī)和連桿聯(lián)機(jī)調(diào)整過程也要受到關(guān)注。筆者認(rèn)為在連接、調(diào)整的過程中，應(yīng)盡可能的對(duì)航模舵機(jī)的控制精度進(jìn)行利用，例如PCM1024設(shè)備的精度即90度與1024的比值，為0.09度。在舵機(jī)使用的過程中，會(huì)產(chǎn)生一定的阻力，導(dǎo)致航模舵機(jī)的實(shí)際控制精度相比預(yù)期明顯縮減，要提升航模舵機(jī)的精度需要讓舵機(jī)滿程運(yùn)行，縮減舵機(jī)的負(fù)荷。其次應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況對(duì)舵機(jī)中立位置進(jìn)行調(diào)整，而非必須將其設(shè)置在舵面0的位置。例如直升機(jī)在運(yùn)行的過程中，自身的重量要依靠旋翼生成的升力抵消，此時(shí)如果強(qiáng)制性的將舵機(jī)中立位置設(shè)置在舵面0的位置，反而影響其實(shí)際運(yùn)行的精度。

四、航模舵機(jī)性能影響因素的利用

在明確航模舵機(jī)的影響因素的情況下，可以提升對(duì)航模舵機(jī)的常見故障的診斷效率和準(zhǔn)確性，而其提升對(duì)航模舵機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)際效果。例如，在炸機(jī)后，航模舵機(jī)的電機(jī)仍瘋狂的旋轉(zhuǎn)、舵盤搖臂失去控制而且出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，則可以直接盤點(diǎn)其齒輪出現(xiàn)了問題；在炸機(jī)后、航模舵機(jī)的靈活性受到嚴(yán)重影響，局部位置過熱，但仍可以按照控制命令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的調(diào)整，知識(shí)舵量的速度和程度嚴(yán)重下降的情況下，可以判斷航模舵機(jī)的電機(jī)是否發(fā)生過流問題，如果測(cè)試中發(fā)現(xiàn)電機(jī)的空載電流已經(jīng)超過150MA或完好電機(jī)空載電流在90MA之下，60MA之上，需要對(duì)航模舵機(jī)的電機(jī)進(jìn)行更換。在炸機(jī)后如果航模舵機(jī)所有反映小時(shí)，則可以判斷其航模舵機(jī)的電子回路、電機(jī)或電路板驅(qū)動(dòng)發(fā)生問題，此時(shí)需要對(duì)插頭、電機(jī)和舵機(jī)的引線進(jìn)行檢查，判斷其是否出現(xiàn)斷路；在航模舵機(jī)的搖臂只有一邊運(yùn)作的情況下，則需要對(duì)其驅(qū)動(dòng)三極管的運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷即可?？梢妼?duì)航模舵機(jī)性能的影響因素進(jìn)行分析，不僅可以為提升航模舵機(jī)各結(jié)構(gòu)的性能提供方向，而且可以使航模舵機(jī)的維修養(yǎng)護(hù)等方面更加具有效率和準(zhǔn)確性。

結(jié)論：通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到航模舵機(jī)性能對(duì)飛機(jī)飛行安全性和質(zhì)量的重要性以及航模舵機(jī)性能會(huì)受到多種因素的影響，并在實(shí)踐中有意識(shí)的結(jié)合航模舵機(jī)的運(yùn)行原理，對(duì)航模舵機(jī)的零件性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、提升裝配工藝質(zhì)量，這為現(xiàn)代航模舵機(jī)整體性能不斷提升創(chuàng)造了條件。

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