李 建

(蘭州飛行控制有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

直流電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代機(jī)電伺服控制系統(tǒng)中以及航空、航天領(lǐng)域中都有著廣泛的重要應(yīng)用。直流電機(jī)作為伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)核心部件，其選擇的合理與否直接影響著伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能的優(yōu)劣以及控制系統(tǒng)的品質(zhì)。航空機(jī)載設(shè)備電動(dòng)舵機(jī)(伺服作動(dòng)器)是以直流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，在電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常會(huì)面對(duì)一些重要的技術(shù)指標(biāo)要求而對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選擇。由于電機(jī)的機(jī)械特性對(duì)電動(dòng)舵機(jī)技術(shù)指標(biāo)有著關(guān)鍵性的影響，因此伺服電機(jī)的選擇就變得尤為重要。通過(guò)實(shí)際工作，提出了一種與傳統(tǒng)不同的選擇直流電機(jī)的新方法，不僅能保證電動(dòng)舵機(jī)性能滿足飛機(jī)伺服系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)的，而且使電機(jī)的選擇更加優(yōu)化、可靠，科學(xué)合理，安全節(jié)能。因此選擇直流電機(jī)的方法也可用于其他需要選擇直流電機(jī)作為動(dòng)力源的伺服傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)中。

1 電動(dòng)舵機(jī)性能要求

1.1 電動(dòng)舵機(jī)

電動(dòng)舵機(jī)是自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)中不可缺少的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是舵回路伺服系統(tǒng)的控制對(duì)象和重要組成部分。它與舵機(jī)控制器形成舵回路，接收飛控計(jì)算機(jī)給定的控制信號(hào)，以一定的速度(線速度或角速度)輸出力矩(或扭矩)，最終驅(qū)動(dòng)飛機(jī)舵面(或調(diào)整片)偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)舵面角運(yùn)動(dòng)以及航跡運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)穩(wěn)定與控制。飛行控制系統(tǒng)中的舵機(jī)有三大類：電動(dòng)舵機(jī)、液壓舵機(jī)、電液復(fù)合舵機(jī)以及氣動(dòng)舵機(jī)等。其中，電動(dòng)舵機(jī)的能源是電力，通常與飛控系統(tǒng)用同一能源，傳輸控制方便，加工制造、裝配維修方便、易實(shí)現(xiàn)電氣余度控制以及易實(shí)現(xiàn)電傳飛控系統(tǒng)等，因其優(yōu)越性得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。一般電動(dòng)舵機(jī)主要由直流電動(dòng)機(jī)，測(cè)速裝置，位置傳感器，減速機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)裝置，力矩限制器和限位保安裝置組成。直流電機(jī)是電動(dòng)舵機(jī)的動(dòng)力源，相當(dāng)于人體的心臟，因此電機(jī)選擇的好壞直接影響到舵機(jī)的機(jī)電性能和舵機(jī)的控制性能，從而影響著飛機(jī)飛行的品質(zhì)。

1.2 電動(dòng)舵機(jī)的性能要求

進(jìn)行電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，飛控系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)舵機(jī)的性能有多項(xiàng)要求，主要包括電氣性能要求和機(jī)械性能要求等。在電動(dòng)舵機(jī)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于電機(jī)選型本文只針對(duì)與電機(jī)選型相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)要求，根據(jù)其主要技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行電機(jī)選用。一般情況下，電動(dòng)舵機(jī)主要性能指標(biāo)要求有供電電源、最大輸出力、額定負(fù)載力、額定速度、額定消耗電流、空載最大速度、回零精度、瞬態(tài)電流、靈敏度及頻帶等。另外，由于飛機(jī)類型、作用、機(jī)動(dòng)性的各不相同以及系統(tǒng)方案等原因，使得飛控系統(tǒng)對(duì)使用的電動(dòng)舵機(jī)相應(yīng)的有著各自的一些特點(diǎn)，因此，在工程實(shí)際中必須具體情況具體分析，這就要求設(shè)計(jì)者對(duì)需要的舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和工作狀況分析清楚。

2 一般選擇電機(jī)的方法與不足

在進(jìn)行電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行電機(jī)的選擇，一般選擇電機(jī)的方法通常是首先進(jìn)行功率估算，如果要求電動(dòng)機(jī)在峰值轉(zhuǎn)矩下以最高轉(zhuǎn)速不斷的驅(qū)動(dòng)負(fù)載，則電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算：

式中：PM——電動(dòng)機(jī)功率 ；

TLP——額定轉(zhuǎn)矩；

ωLP——額定轉(zhuǎn)矩角速度；

η——傳動(dòng)效率。

式中，1.5～2.5系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮到初步估算時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩可能有遺漏，且考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子和傳動(dòng)裝置的功率損耗。

然后對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇。電動(dòng)機(jī)和減速器是相互制約的，選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)和減速比一起考慮，使兩者合理。電機(jī)轉(zhuǎn)速和伺服機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

nm=in

式中：nm——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

i——減速比；

n——減速器輸出轉(zhuǎn)速(或角位移舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)速)。

選擇電動(dòng)機(jī)的最大輸出力矩Mmax。當(dāng)減速器的減速比和效率確定后，根據(jù)電動(dòng)舵機(jī)給定的額定輸出力矩確定電機(jī)的額定輸出力矩，電動(dòng)機(jī)的最大輸出力矩Mmax應(yīng)大于負(fù)載的峰值力矩。其力矩關(guān)系為

Mmn=Mn/iη，Mmax>Mmn

式中：Mmn——電動(dòng)機(jī)力矩；

η——減速器效率。

另外，在一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的前提下有時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)將按負(fù)載力的20%進(jìn)行余量考慮。

由傳統(tǒng)的選擇電機(jī)的方法可見，單純從動(dòng)力負(fù)載所需的功率出發(fā)考慮，只考慮電機(jī)的動(dòng)力問(wèn)題是不夠的或者是不確切的。物理意義上的功率包含扭矩和速度兩部分，但在實(shí)際的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中它們是受限制的，只用峰值功率作為選擇電機(jī)的原則是不充分的，對(duì)空載及額定速度的設(shè)計(jì)是不準(zhǔn)確的。如果電動(dòng)機(jī)額定功率選擇的過(guò)小，就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”的現(xiàn)象，勢(shì)必使電動(dòng)機(jī)過(guò)載，也就必然使電動(dòng)機(jī)的電流超過(guò)額定值而使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，電動(dòng)機(jī)內(nèi)絕緣材料的壽命也會(huì)縮短，甚至可能會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)；如果電動(dòng)機(jī)額定功率選擇的過(guò)大，就會(huì)變成“大馬拉小車”，電動(dòng)機(jī)處于輕載狀況下運(yùn)行，其功率因數(shù)和效率均會(huì)低，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。對(duì)電機(jī)效率的預(yù)計(jì)值與實(shí)際運(yùn)行有較大差距，傳動(dòng)比的可行范圍較大，而且還需要由豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)才行，以及根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)將按負(fù)載力的一定比例進(jìn)行余量考慮也是影響電動(dòng)機(jī)選擇不準(zhǔn)確的因素。

3 新的選擇直流電機(jī)方法

電機(jī)運(yùn)行的主要要求是電機(jī)在額定電壓時(shí)，能在外加額定轉(zhuǎn)矩的情況下，達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速。通俗的講就是，電機(jī)在規(guī)定的電壓及容許的電流下能帶動(dòng)負(fù)載，在要求的轉(zhuǎn)速下能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。通過(guò)分析研究，提出了一種新的電動(dòng)舵機(jī)電機(jī)選擇方法，即圖解機(jī)械特性目標(biāo)選擇法，如圖1所示，并且在實(shí)際中得到了應(yīng)用。

圖1 目標(biāo)電機(jī)圖解特性曲線圖

該方法是以舵機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)為根本原則，以電動(dòng)舵機(jī)負(fù)載特性為基礎(chǔ)，以電機(jī)機(jī)械特性為目標(biāo)并以圖解機(jī)械特性的形式選擇目標(biāo)電機(jī)。在對(duì)舵機(jī)特性及指標(biāo)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以舵機(jī)的額定工作點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行電機(jī)選擇。電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇是一個(gè)很重要又很復(fù)雜的問(wèn)題。電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇應(yīng)適當(dāng)，不應(yīng)過(guò)小或過(guò)大。因此，對(duì)額定點(diǎn)在圖1所示目標(biāo)電機(jī)圖解特性曲線圖中那個(gè)位置進(jìn)行定位，把舵機(jī)額定工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)電機(jī)額定工作點(diǎn)在設(shè)計(jì)前預(yù)先設(shè)置于該電機(jī)曲線的某一合理位置作為將要選擇的電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)，把該點(diǎn)作為電機(jī)選擇的目標(biāo)之一。同理，把舵機(jī)的最大負(fù)載點(diǎn)、最大速度以及起動(dòng)扭矩倍數(shù)等通過(guò)計(jì)算值均對(duì)等的映射到電機(jī)的機(jī)械特性曲線中，這些點(diǎn)均作為電機(jī)選擇的目標(biāo)點(diǎn)，最后由目標(biāo)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的機(jī)械特性曲線對(duì)電機(jī)進(jìn)行選擇，做到有的放矢。

新的選擇直流電動(dòng)機(jī)的方法主要步驟如下：

(1)根據(jù)舵機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及技術(shù)指標(biāo)要求確定相關(guān)參數(shù)。各部分傳動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL，折合到將要選定的電機(jī)的輸出軸端JM； 傳動(dòng)部件的總減速比i，總減速比i的確定應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)位置尺寸以及舵機(jī)動(dòng)態(tài)性能慣量匹配等條件綜合考慮取值；根據(jù)舵機(jī)傳動(dòng)鏈組成，由各傳動(dòng)件效率η1，η2，η3……等計(jì)算舵機(jī)傳動(dòng)鏈總效率η總；η總=η1×η2×…×ηn。

(2)根據(jù)電動(dòng)舵機(jī)最大空載速度、額定速度技術(shù)指標(biāo)要求以及減速比i，計(jì)算出所需要的電機(jī)在空載時(shí)需要達(dá)到的空載速度n0和在額定負(fù)載時(shí)需要達(dá)到的額定速度nn。此目標(biāo)點(diǎn)的確定可根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境對(duì)速度的影響情況，用給定一定的余量后的值作為目標(biāo)點(diǎn)。

(3)根據(jù)舵機(jī)輸出負(fù)載力技術(shù)指標(biāo)要求以及各轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)矩折算到電機(jī)軸上，計(jì)算出電機(jī)在額定負(fù)載和最大負(fù)載時(shí)電機(jī)需要達(dá)到的額定轉(zhuǎn)矩TN，根據(jù)舵機(jī)加減速轉(zhuǎn)矩的要求計(jì)算對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大峰值轉(zhuǎn)矩Tmax。電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為TD，所以選取點(diǎn)時(shí)Tmax應(yīng)

(4)計(jì)算確定電機(jī)額定功率PN和最大功率Pmax。伺服系統(tǒng)和舵回路中電機(jī)功率的確定，往往由于負(fù)載性質(zhì)的不同和系統(tǒng)要求的不同，有不同的計(jì)算方法。為了比較合理的確定電機(jī)的功率，關(guān)鍵是要事先搞清楚負(fù)載的情況。根據(jù)舵機(jī)額定載荷和最大載荷的實(shí)際情況計(jì)算確定電機(jī)的額定功率和最大功率點(diǎn)。

(5)確定電機(jī)的工作效率點(diǎn)。各種電機(jī)的效率是不同的，同一電機(jī)在不同負(fù)載下的效率也是不同的，對(duì)同一電機(jī)不僅要知道電機(jī)的最大效率，而且要知道電機(jī)在不同輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)的效率，這樣才能精確選定某一負(fù)載所需的電機(jī)。

(6)將所有計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)果羅列出來(lái)并將該電機(jī)參數(shù)用圖解的形式表示，圖解形式如圖1所示。該曲線圖是電動(dòng)舵機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)所要求的相對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線。以此為標(biāo)準(zhǔn)，將滿足圖解電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線指標(biāo)的電機(jī)列出來(lái)。

在圖1中：T-n曲線基本上是一條直線，與縱坐標(biāo)Y軸的交點(diǎn)為空載轉(zhuǎn)速n0，與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為堵轉(zhuǎn)扭矩TD；T-I曲線也是一條直線，與Y軸的交點(diǎn)為空載電流I0，電機(jī)的工作電流隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩T的增大而增大；T-η曲線是一條非對(duì)稱的曲線，其最大值偏向左側(cè)為ηmax；T-P曲線是一條標(biāo)準(zhǔn)的拋物線線，其頂為電機(jī)的最大功率點(diǎn)Pmax，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為TP。圖中的A點(diǎn)是與電動(dòng)舵機(jī)工作點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)電機(jī)的工作點(diǎn)(對(duì)應(yīng)的扭矩為TA)。目標(biāo)曲線工作點(diǎn)A點(diǎn)是根據(jù)舵機(jī)指標(biāo)要求動(dòng)態(tài)選取的，根據(jù)實(shí)際工作，舵機(jī)所用的電機(jī)工作點(diǎn)一般不會(huì)落在圖1中的陰影部分，而大都選在圖1中的非陰影區(qū)域。

(7)分析圖解的電機(jī)機(jī)械特性曲線，以最終圖解的電機(jī)機(jī)械特性曲線為目標(biāo)，確定要滿足該舵機(jī)技術(shù)指標(biāo)時(shí)的電動(dòng)機(jī)參數(shù)要求是多少或在列出來(lái)的電機(jī)類里對(duì)比，看哪個(gè)曲線最為符合。在系列類型號(hào)中選擇，如果沒(méi)有或難以設(shè)計(jì)達(dá)到十分吻合的機(jī)械特性曲線目標(biāo)，可選擇與之最相近曲線的電機(jī)。此種情況若在機(jī)載設(shè)備中選擇電機(jī)，一般選擇曲線參數(shù)略大于指標(biāo)要求值，增加其可靠性。如果由于電機(jī)型號(hào)規(guī)格范圍的局限性的限制，沒(méi)有符合的理想的目標(biāo)電機(jī)，則可以進(jìn)行設(shè)計(jì)定制滿足此電機(jī)機(jī)械特性曲線的電機(jī)。

電動(dòng)舵機(jī)用電機(jī)的選擇主要是如何正確確定與舵機(jī)負(fù)載特性與之對(duì)應(yīng)的電機(jī)的主要特性數(shù)據(jù)。把電機(jī)的這些特性數(shù)據(jù)按照預(yù)定的舵機(jī)性能非常合理正確的確定下來(lái)，才能選擇出合乎要求的電機(jī)。如果在現(xiàn)有的電機(jī)規(guī)格型號(hào)中沒(méi)有合適的電機(jī)，則可按照?qǐng)D解曲線確定的電動(dòng)機(jī)參數(shù)要求進(jìn)行改制或電機(jī)設(shè)計(jì)。如果設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)要求無(wú)法全部滿足，則可提出系統(tǒng)對(duì)舵機(jī)的某些指標(biāo)要求是不現(xiàn)實(shí)的，不妥當(dāng)?shù)?。這樣也可檢驗(yàn)系統(tǒng)提出的指標(biāo)是否合理。另外，電機(jī)是功率的換能器，在換能時(shí)有功率損耗。選擇電機(jī)的輸入功率時(shí)必須考慮到電機(jī)的效率。

這種選擇電機(jī)的方法使得驅(qū)動(dòng)裝置的可行性檢查和不同系統(tǒng)間的比較更方便。該方法適用于各種負(fù)載情況，將負(fù)載和電機(jī)的特性相聯(lián)系，有關(guān)動(dòng)力的各個(gè)參數(shù)均可用圖解的形式表示并且適用于各種電動(dòng)舵機(jī)，無(wú)需用大量的類比來(lái)檢查電機(jī)是否能夠驅(qū)動(dòng)某個(gè)特定的負(fù)載，且滿足指標(biāo)更為準(zhǔn)確，不會(huì)出現(xiàn)容量過(guò)?；蛘呷萘坎蛔愕默F(xiàn)象，使控制裝置更加容易，舵機(jī)性能恰到好處。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文給出了一種舵機(jī)設(shè)計(jì)中擇直流電動(dòng)機(jī)的新方法，即機(jī)械特性圖解目標(biāo)選擇法。通過(guò)與一般的選用直流電動(dòng)機(jī)說(shuō)用方法的比較，給出了利用機(jī)械特性目標(biāo)選擇法選擇直流電動(dòng)機(jī)的主要步驟。使用此方法能使所選電動(dòng)機(jī)在滿足產(chǎn)品性能指標(biāo)要求的前提下，使選擇的電動(dòng)機(jī)更加優(yōu)化、科學(xué)，合理可靠，安全節(jié)能。選擇直流電動(dòng)機(jī)的方法均適用于直流電機(jī)作為動(dòng)力源的伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，如自動(dòng)控制裝置、電力傳動(dòng)與拖動(dòng)、機(jī)電一體化產(chǎn)品等。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 胡巖，武建文，李德成，等. 小型電動(dòng)機(jī)現(xiàn)代實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] 邱國(guó)平，邱明. 永磁直流電機(jī)實(shí)用設(shè)計(jì)及應(yīng)用設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 顏嘉男，王自強(qiáng). 伺服電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

[4] 譚建成. 永磁無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5] KAFADER U.高精度微型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型[M]. sachseln：Maxon academy，2007.

[6] 谷腰欣司. 直流電動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用技巧[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.

[7] 祝小平，張才文，朱紅斌.無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.