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研究舵机传动中的非线性因素对系统的影响
2020-06-29
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上传者：管理员
摘要：电动舵机作为飞行器的重要组成部分，其机械结构的装配会带来传动间隙、摩擦、死区等无法避免的非线性环节，这些因素会导致机构在运动时出现卡滞、噪音、振动等现象，从而对系统的控制精度造成一定的影响。通过分析舵机样机的结构特点和样机的性能测试结果，研究了舵机传动中的非线性因素对系统产生的不利影响。针对样机的结构弊端，采用一种（轴承+摇臂）传动结构形式，大幅地减小了传动间隙和摩擦，使得舵机性能明显改善，有效地消除了非线性因素给控制系统造成的不利影响。实践证明，该传动结构形式可适用于高带宽、高控制精度的电动舵机中。
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电动舵机是一个非线性的机电一体化系统，由伺服电机、传动机构、舵面和反馈机构等组成，能实现伺服电机输入运动到舵面输出运动的转换。电动舵机中包含若干非线性因素，控制电路的非线性因素包括PWM功放电路电压饱和以及死区、限幅电流值等。传动机构的非线性因素包括摩擦、传动间隙等[1]。电机本身也是一个非线性环节。非线性因素会导致电动舵机控制系统的动态性能下降，甚至引起系统不稳定。
笔者以某型号靶机为研究背景，开展舵机结构方案设计以及样机研制工作。设计舵机传动结构形式，基于此开展舵机装配以及舵机性能测试工作，并研究了该结构所造成的舵机非线性因素对系统的影响，分析了该结构形式的不足之处，并提出了一种结构优化方案，使得舵机性能明显改善，有效地消除了非线性因素带来的影响。该研究对高带宽、高控制精度电动舵机的结构设计具有一定的工程应用价值。
1、舵机传动结构形式
目前，系统响应带宽在10Hz以上的舵机大多采用电动形式，电动舵机具有结构紧凑、控制响应快、精度高等优点，其结构形式由伺服电机、减速器（滚珠丝杆副、多级齿轮传动或谐波齿轮等）、拨叉、舵轴、本体、电位计等部件组成。笔者基于传动结构采用滚珠丝杆副、拨叉组合形式的舵机作为研究对象，其结构形式如图1所示。
图1舵机传动结构形式
该传动结构形式简单，零件数目较少。伺服电机采用有刷直流电机，直接驱动丝杆旋转，丝杆螺母轴伸插入拨叉滑槽中，再插入本体导向槽中，本体导向槽限制了螺母的旋转自由度，使得螺母只有上、下移动的单自由度。螺母轴伸驱动拨叉、舵轴旋转，最终使得舵片偏转。电位计通过支座与舵轴同轴连接，舵轴旋转驱动电位计轴旋转，反馈位置信号，实现系统闭环控制。
2、结构非线性特性
2.1非线性环节来源
舵机由于结构加工、制造、装配等原因，通常存在传动间隙、死区、摩擦、接触等非线性环节[2]，其非线性环节产生于具有相对运动的接触零部件处，其中间隙和摩擦是主要的非线性环节，间隙较大或者摩擦较大会给舵系统控制造成不良影响。
图1拨叉式传动结构中，非线性环节存在以下几处：
1）螺母轴伸与拨叉之间的连接；
2）螺母轴伸与本体导向槽之间的连接；
3）滚珠丝杆副内部传动摩擦。
上述所有非线性环节均会对系统总的摩擦力和间隙产生影响，越是靠近传动机构末端的环节，其造成的影响越大，因此需要特别关注舵轴轴承装配、丝杆螺母轴伸与拨叉之间的连接、螺母轴伸与导向槽之间的连接、电位计与舵轴的连接。
2.2非线性环节分析
本文拨叉式传动结构中[3]，1）处连接采用间隙配合，若采用过渡或紧配合，该处相对运动的摩擦力会大幅提高，甚至卡死，因此间隙量的控制尤为重要。轴伸与拨叉之间相对运动时的接触，理论上是均匀的线接触，摩擦力值应连续且稳定。但在舵片受负载时，因为间隙的缘故，拨叉与螺母轴伸之间的线接触可能会变化成两个点接触，导致两者相对运动时，其摩擦力值产生突变且增大，甚至传动出现卡滞，如图2、图3所示。
图2相对运动时的接触
图3相对运动时的滑动摩擦力
同理，2）处连接也存在上述问题，这两处的装配形式产生的耦合作用，将会大程度降低传动的稳定性和提高摩擦力，还会产生冲击和噪声，较长时间的摩擦、传动后，会导致接触面的磨损，进一步加大间隙，严重影响系统控制精度。
滚珠丝杆副为成熟套件，可受负载传动且摩擦力较小，因此3）处传动摩擦可忽略不计。
3、舵机（拨叉式）试验测试
为进一步研究该结构舵机的性能和控制系统的响应特性，基于PID进行舵机控制算法的编写，配合机械负载测试平台和Labview编写的舵机测试软件[4,5]，对拨叉式传动结构舵机进行性能指标测试，在舵片上加载一根0.5N·m/(°)弹性梯度的弹簧杆，模拟实际飞行过程中的动态铰链力矩特性。
对舵机进行1~10Hz带宽扫频测试和20°大舵偏测试，部分测试结果如图4~7所示。
图41Hz扫频
图55Hz扫频
图720°-0.1Hz正弦信号测试
分析上述扫频测试结果可知：
1）1Hz时舵反信号出现“平顶”现象，这是因为此处传动变向时，摩擦力出现了不连续变化的情况，以及整个传动机构存在间隙，造成了该现象；另一方面，整个响应曲线的平滑度不佳，这也是因为在传动过程中，随着舵片所受扭矩的变化，导致传动环节摩擦力产生突变，引起曲线不光滑。5~9Hz扫频时，随着信号频率的提高，非线性因素造成的不利影响更为明显，在较高频率时，响应曲线出现了谐振峰，严重影响舵系统动态性能。在测试过程中，传动时伴随有较大的噪音，这是因为机械间隙所致，此状态下系统结构刚度较差，传动效率较低，系统功耗较大；另一方面，间隙会导致传动结构件加快磨损，进一步增大间隙。在较高频率测试时，响应曲线会出现震荡现象，这也是因为传动摩擦、结构卡滞所造成。
2）分析20°-0.1Hz正弦信号测试结果，在舵片换向时（信号曲线峰值处），处于最大舵偏，舵片所受负载最大，导致传动摩擦力最大，引起动态性能、控制效率显著下降，响应曲线出现自激振荡。
3）该拨叉式传动结构存在较大的弊端，尤其是在受交变负载时，舵机控制性能不佳，需要对结构进行优化改进。
4、舵机结构优化
针对拨叉式传动结构的弊端进行结构优化改进，重点改进摩擦、间隙较大的传动环节，优化后的传动结构如图8所示[6]。
图8优化后的传动结构形式
该结构将拨叉改为可安装轴承的摇臂，丝杆螺母轴伸与摇臂轴承进行配合，滚珠丝杆副、套筒、电机作为独立组件进行装配，然后通过销钉、轴承与本体进行连接，整个传动系统由3个转动副和1个移动副构成，传动简图如图9所示。电机驱动丝杆旋转，丝杆螺母的旋转自由度被摇臂限制只能上下移动，螺母上下移动带动摇臂偏转（转动副2），转动副1和转动副3的这两个自由度保证了转动副2的实现。
图9传动简图
与拨叉式传动结构相比，该形式将滑动摩擦均更改为滚动摩擦，减少了传动环节中的装配间隙，只有轴承自身的游隙，这种优化过后的结构大程度降低了传动摩擦和间隙，尤其当在舵片受载工况下，舵机也能保持良好的传动性能，在设计上规避了摩擦力突变、传动卡滞等情况的发生[7]。
摇臂上加工轴承孔，可成对安装两个轴承，轴承外壁与孔过盈配合，螺母轴伸与轴承内壁间隙配合，保证轴承安装时具有一定的窜动量，方便轴伸插入轴承，轴伸上的凸台抵住轴承内圈，轴承外圈通过摇臂轴承孔凸台定位。开口挡圈从另一方向抵住轴承外圈，完成定位。该装配形式能够保证两个活动构件装配后无间隙且能灵活相对运动，简图如图10所示。同理，销钉与套筒也是通过上述形式装配，销钉与本体采用过盈连接，保证装配无间隙，在丝杆螺母上下移动的同时，滚珠丝杆副组件会绕着销钉轴线小幅度旋转。成对安装轴承也能够保证较大力矩的传递。
图10丝杆螺母+轴承安装形式
5、舵机（优化结构）试验测试
同理，进行结构优化后舵机的性能测试，对舵机进行1~10Hz带宽扫频测试和20°大舵偏测试[8,9,10]，部分测试结果如图11~14所示。
图111Hz扫频
图125Hz扫频
图139Hz扫频
图1420°-0.1Hz正弦信号测试
分析上述扫频测试结果可知：
1）1~9Hz扫频负载测试中，响应曲线平滑流畅、过渡稳定，无突变情况，曲线峰值处的“平顶”现象消失。在较高频率扫频时，也无谐振峰现象发生，无震荡现象发生，整个响应曲线对称度都比较好。另一方面，由于该传动结构形式间隙小，结构刚度强，因此在测试时噪音也大幅改善，整个系统具有稳定的控制性能。
2）在20°大舵偏测试时，响应曲线无自激振荡现象，曲线线性度在5%以内，说明系统在大负载情况下，也具有较好的控制性能。
3）相较于拨叉式传动结构，该结构设计更合理，性能更优，更适用于需要高机动性、快响应性、高控制精度的舵机。
6、结论
笔者对一种拨叉式传动结构的舵机进行研究，分析了该结构形式存在的非线性环节，采用机械负载台和Labwiew编写的测试软件对舵机进行了性能测试，分析了舵反曲线中反映出的问题。基于传动结构的弊端，对其进行了优化设计，设计了一种低摩擦力、低间隙的传动结构形式，提高了整体结构的刚度，并对新结构舵机进行测试，测试结果有较大改善。本文为高控制精度、高响应带宽电动舵机提供了一种结构方案。
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