吳江永

摘 要：某型號(hào)電動(dòng)舵機(jī)Y、Z軸振動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)電流超差問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)引起電流超差的可能原因進(jìn)行詳細(xì)分析對(duì)比并結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，最后對(duì)該型號(hào)舵機(jī)電流超差問(wèn)題提出有效解決措施。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)舵機(jī)；Y、Z軸向振動(dòng)；電流超差

1、前言

我廠研制的某型號(hào)電動(dòng)舵機(jī)振動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)電流超差問(wèn)題，而且比較異常的情況是當(dāng)舵機(jī)進(jìn)行X軸向振動(dòng)時(shí)舵機(jī)電流曲線都還正常，但是當(dāng)舵機(jī)進(jìn)行Y方向或Z方向振動(dòng)時(shí)，電流曲線則會(huì)變粗，實(shí)際電流均值明顯增大最終導(dǎo)致電流超出指標(biāo)要求。

2、電流超差原因初步分析

舵機(jī)的工作原理是舵機(jī)通過(guò)電位器采集位置反饋信號(hào)，位置反饋信號(hào)在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后與輸入的指令信號(hào)進(jìn)行比較調(diào)節(jié)形成控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)功率放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)減速器減速后實(shí)現(xiàn)對(duì)舵面軸角位移的控制。

從電流超差的振動(dòng)曲線可以看出電流超差與反饋曲線抖動(dòng)存在正向相關(guān)關(guān)系，電流超差的Y、Z軸向振動(dòng)伴隨反饋曲線抖動(dòng)，而電流正常的X軸向振動(dòng)中反饋曲線則很平滑。從舵機(jī)工作原理看，如果反饋檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)到的反饋信號(hào)一直在變化，且變化使得指令信號(hào)和反饋信號(hào)的差值超出舵機(jī)靈敏區(qū)，伺服電機(jī)便會(huì)啟動(dòng)工作糾偏舵面，糾偏后反饋曲線仍一直抖動(dòng)，電機(jī)則一直工作繼續(xù)糾偏舵面。可以看出反饋信號(hào)抖動(dòng)是舵機(jī)電流增大的間接原因，下面將就反饋信號(hào)抖動(dòng)的原因進(jìn)行分析。

3、反饋曲線抖動(dòng)原因

反饋信號(hào)抖動(dòng)存在兩種可能：a）舵機(jī)實(shí)際在抖動(dòng)，反饋信號(hào)真實(shí)反映舵機(jī)抖動(dòng)現(xiàn)象；b）反饋信號(hào)采集失真得到錯(cuò)誤的抖動(dòng)信號(hào)，舵機(jī)實(shí)際并沒(méi)有抖動(dòng)，只是由于反饋信號(hào)抖動(dòng)使得電機(jī)得到錯(cuò)誤的控制指令最終導(dǎo)致舵機(jī)異常動(dòng)作，而舵機(jī)異常動(dòng)作則反過(guò)來(lái)加劇反饋信號(hào)采集失真的錯(cuò)誤，最終造成電流急劇增加，下面就這兩種情況進(jìn)行逐一分析。

3.1舵機(jī)抖動(dòng)引起的反饋曲線抖動(dòng)

舵機(jī)抖動(dòng)的原因存在三種情況：a）舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙過(guò)大，振動(dòng)過(guò)程中舵面出現(xiàn)抖動(dòng)；b）舵機(jī)阻尼過(guò)小，振動(dòng)過(guò)程中舵面出現(xiàn)抖動(dòng)；c）舵機(jī)控制參數(shù)不合理導(dǎo)致舵機(jī)震蕩抖動(dòng)。下面就這三種情況進(jìn)行分析。

3.1.1舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙大引起的抖動(dòng)分析

舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理是電機(jī)帶動(dòng)直齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，直齒輪帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)從而使絲杠螺母在絲桿上軸向運(yùn)動(dòng)，絲桿螺母通過(guò)拉桿組件的插拔與之相連從而帶動(dòng)舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，舵軸最終帶動(dòng)舵面實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由直齒輪，滾珠絲杠，拉桿組件，舵軸組成。因此舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙主要由以下四種情況構(gòu)成：

a）絲杠螺母的軸向間隙，已由技術(shù)協(xié)議控制，極限值為0.01mm，間隙本身較小，且該間隙與舵機(jī)X軸向同向，如果是該間隙引起的舵機(jī)抖動(dòng)，則舵機(jī)抖動(dòng)應(yīng)該在舵機(jī)X軸向振動(dòng)時(shí)表現(xiàn)最為突出，因此可以斷定絲杠螺母的軸向間隙不是造成舵機(jī)Y、Z軸向舵機(jī)抖動(dòng)的原因。

b）絲杠的軸向間隙，由背對(duì)安裝的兩個(gè)角接觸軸承在安裝孔內(nèi)的間隙及角接觸軸承與鎖緊螺母之間的間隙組成，絲杠軸向間隙1可通過(guò)增減調(diào)整墊片進(jìn)行調(diào)整，絲杠軸向間隙2可通過(guò)擰緊鎖緊螺母來(lái)達(dá)到消除，這兩個(gè)間隙都與舵機(jī)X軸向同向，如果是該間隙引起的舵機(jī)抖動(dòng)，則舵機(jī)抖動(dòng)應(yīng)該在X軸向振動(dòng)時(shí)表現(xiàn)最為突出，由此可以斷定絲杠軸向間隙不是造成舵機(jī)Y、Z軸向振動(dòng)發(fā)生抖動(dòng)的原因。

c）拉桿組件間隙，由4處間隙組成，此4處間隙綜合起來(lái)可達(dá)0.039，但拉桿組件間隙存在是為了保證舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性，不可完全消除，否則會(huì)造成舵機(jī)卡滯或舵機(jī)速度下降。且拉桿組件的四處間隙均與舵機(jī)X軸向同向。如果是此處間隙引起的舵機(jī)抖動(dòng)，則舵機(jī)X軸向振動(dòng)舵機(jī)也會(huì)抖動(dòng)。

d） 直齒輪的傳動(dòng)側(cè)隙，舵機(jī)采用是精度等級(jí)為7級(jí)齒輪，側(cè)隙較小，對(duì)舵機(jī)抖動(dòng)影響較小。綜上傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙并不是舵機(jī)Y、Z軸向振動(dòng)發(fā)生抖動(dòng)的原因。

3.1.2舵機(jī)阻尼過(guò)小引起的抖動(dòng)分析

舵機(jī)阻尼可以粗略分為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦阻尼及舵面摩擦阻尼構(gòu)成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻尼與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙密切相關(guān)，同傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙一樣也應(yīng)不是造成Y、Z軸向振動(dòng)電流超差的原因。通過(guò)前期多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，增加舵面摩擦阻尼可以減少舵機(jī)抖動(dòng)，但效果輕微，且并不能測(cè)底改善Y、Z軸向振動(dòng)電流超差現(xiàn)象。

3.1.3舵機(jī)控制參數(shù)不合理引起的抖動(dòng)分析

舵機(jī)采用PID參數(shù)控制，如果比例參數(shù)過(guò)高，則會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，但如果是由于控制參數(shù)設(shè)定不合理引起的電流超差，那應(yīng)該在三個(gè)振動(dòng)方向上都會(huì)表現(xiàn)出來(lái)才對(duì)，而不應(yīng)只是在Y、Z方向引起電流超差。

3.2反饋信號(hào)采集失真引起的反饋曲線抖動(dòng)

反饋信號(hào)采集的是舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度，由與舵面同步轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸傳遞給電位器，再由電位器采集得到。反饋信號(hào)采集失真有兩種情況：a）電位器缺陷導(dǎo)致采集失真；b）轉(zhuǎn)軸傳遞的舵面轉(zhuǎn)動(dòng)信息有誤，很可能是轉(zhuǎn)軸在振動(dòng)時(shí)發(fā)生抖動(dòng)，導(dǎo)致電位器采集到錯(cuò)誤的信號(hào)。下面就這兩種情況進(jìn)行分析。

3.2.1電位器采集失真引起的反饋曲線抖動(dòng)

電位器缺陷導(dǎo)致反饋信號(hào)采集失真。但通過(guò)前期更換電位器的實(shí)驗(yàn)來(lái)看，也應(yīng)不是電位器的問(wèn)題。

3.2.2 電位器轉(zhuǎn)軸抖動(dòng)引起的反饋曲線抖動(dòng)

圖1是轉(zhuǎn)軸裝配圖，其中舵機(jī)X軸振動(dòng)方向與轉(zhuǎn)軸軸向方向（長(zhǎng)度方向）垂直，舵機(jī)Y、Z軸振動(dòng)方向與轉(zhuǎn)軸軸向方向均成45°。

轉(zhuǎn)軸徑向靠軸承定位，其間隙較小。轉(zhuǎn)軸軸向靠軸承端面與搖臂端面定位，間隙由軸承間隙及搖臂間隙同時(shí)決定，間隙大小不確定。

我們可以做這樣假設(shè)：當(dāng)舵機(jī)進(jìn)行X軸向振動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)軸徑向間隙較小，抖動(dòng)并不嚴(yán)重，反饋信號(hào)失真也不嚴(yán)重，舵機(jī)因此沒(méi)有發(fā)生抖動(dòng)；當(dāng)舵機(jī)進(jìn)行Y、Z軸向振動(dòng)時(shí)由于轉(zhuǎn)軸軸向間隙存在，且該間隙方向與Y、Z軸向成45°，轉(zhuǎn)軸便會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，近而造成電位器采集的反饋信號(hào)失真，最終錯(cuò)誤引導(dǎo)電機(jī)啟動(dòng)糾偏本已處于正確位置的舵面，發(fā)生抖動(dòng)。而這樣的假設(shè)與測(cè)試結(jié)果完全吻合，由此我可以初步斷定轉(zhuǎn)軸軸向間隙過(guò)大是造成Y、Z軸向振動(dòng)舵機(jī)電流超差的根本原因。

4、試驗(yàn)驗(yàn)證情況

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)軸軸向間隙對(duì)舵機(jī)振動(dòng)電流的影響我們決定開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)選取了Y、Z軸振動(dòng)電流已經(jīng)超差的舵機(jī)在軸承兩端均增加調(diào)整墊片，直到推動(dòng)轉(zhuǎn)軸手感不再有間隙為止，轉(zhuǎn)軸增加墊片后舵機(jī)重新進(jìn)行了振動(dòng)，舵機(jī)Y、Z軸向振動(dòng)電流超差的情況得到大大改善，將測(cè)試曲線放大并與之前未增加調(diào)整墊片的測(cè)試曲線進(jìn)行對(duì)比，可以看出電流抖動(dòng)明細(xì)改善，反饋曲線抖動(dòng)幅值從0.15°降至0.05°。

找到電流超差的原因后，我們對(duì)同一批次的所有舵機(jī)均在轉(zhuǎn)軸與軸承之間均增加調(diào)整墊片，消除轉(zhuǎn)軸軸向間隙，最終整批舵機(jī)振動(dòng)電流全部合格

至此，舵機(jī)Y、Z軸向振動(dòng)電流超差問(wèn)題得到徹底解決，舵機(jī)按時(shí)交付得以順利進(jìn)行。同時(shí)可以確定轉(zhuǎn)軸軸向間隙過(guò)大是造成舵機(jī)Y、Z軸向振動(dòng)電流超差的根本原因。

5、結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)可能造成舵機(jī)電流超差的各種具體情況進(jìn)行逐一分析、甄別，從傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙、舵機(jī)阻尼、控制參數(shù)設(shè)定、電位器采集失真中找出轉(zhuǎn)軸軸向間隙是造成舵機(jī)Y、Z軸向振動(dòng)電流超差的根本原因，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

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