一種電動舵機設計中直流電機選用方法

李 建

(蘭州飛行控制有限責任公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

直流電動機在現代機電伺服控制系統中以及航空、航天領域中都有著廣泛的重要應用。直流電機作為伺服執行機構核心部件，其選擇的合理與否直接影響著伺服執行機構性能的優劣以及控制系統的品質。航空機載設備電動舵機(伺服作動器)是以直流電動機作為動力源，在電動舵機設計時，經常會面對一些重要的技術指標要求而對直流電動機進行選擇。由于電機的機械特性對電動舵機技術指標有著關鍵性的影響，因此伺服電機的選擇就變得尤為重要。通過實際工作，提出了一種與傳統不同的選擇直流電機的新方法，不僅能保證電動舵機性能滿足飛機伺服系統所要求的性能指標的，而且使電機的選擇更加優化、可靠，科學合理，安全節能。因此選擇直流電機的方法也可用于其他需要選擇直流電機作為動力源的伺服傳動機械系統中。

1 電動舵機性能要求

1.1 電動舵機

電動舵機是自動飛行控制系統中不可缺少的執行機構，是舵回路伺服系統的控制對象和重要組成部分。它與舵機控制器形成舵回路，接收飛控計算機給定的控制信號，以一定的速度(線速度或角速度)輸出力矩(或扭矩)，最終驅動飛機舵面(或調整片)偏轉，實現飛機舵面角運動以及航跡運動的自動穩定與控制。飛行控制系統中的舵機有三大類：電動舵機、液壓舵機、電液復合舵機以及氣動舵機等。其中，電動舵機的能源是電力，通常與飛控系統用同一能源，傳輸控制方便，加工制造、裝配維修方便、易實現電氣余度控制以及易實現電傳飛控系統等，因其優越性得到了越來越廣泛的應用。一般電動舵機主要由直流電動機，測速裝置，位置傳感器，減速機構，傳動裝置，力矩限制器和限位保安裝置組成。直流電機是電動舵機的動力源，相當于人體的心臟，因此電機選擇的好壞直接影響到舵機的機電性能和舵機的控制性能，從而影響著飛機飛行的品質。

1.2 電動舵機的性能要求

進行電動舵機設計時，飛控系統對電動舵機的性能有多項要求，主要包括電氣性能要求和機械性能要求等。在電動舵機的設計中，對于電機選型本文只針對與電機選型相關的技術指標要求，根據其主要技術指標要求進行電機選用。一般情況下，電動舵機主要性能指標要求有供電電源、最大輸出力、額定負載力、額定速度、額定消耗電流、空載最大速度、回零精度、瞬態電流、靈敏度及頻帶等。另外，由于飛機類型、作用、機動性的各不相同以及系統方案等原因，使得飛控系統對使用的電動舵機相應的有著各自的一些特點，因此，在工程實際中必須具體情況具體分析，這就要求設計者對需要的舵機的運動規律和工作狀況分析清楚。

2 一般選擇電機的方法與不足

在進行電動舵機設計時，根據技術指標要求進行電機的選擇，一般選擇電機的方法通常是首先進行功率估算，如果要求電動機在峰值轉矩下以最高轉速不斷的驅動負載，則電動機的功率可按下式估算：

式中：PM——電動機功率 ；

TLP——額定轉矩；

ωLP——額定轉矩角速度；

η——傳動效率。

式中，1.5～2.5系數為經驗數據，考慮到初步估算時負載轉矩可能有遺漏，且考慮電機轉子和傳動裝置的功率損耗。

然后對電動機的轉速進行選擇。電動機和減速器是相互制約的，選擇電機轉速時和減速比一起考慮，使兩者合理。電機轉速和伺服機構轉速的關系為

nm=in

式中：nm——電動機轉速；

i——減速比；

n——減速器輸出轉速(或角位移舵機輸出轉速)。

選擇電動機的最大輸出力矩Mmax。當減速器的減速比和效率確定后，根據電動舵機給定的額定輸出力矩確定電機的額定輸出力矩，電動機的最大輸出力矩Mmax應大于負載的峰值力矩。其力矩關系為

Mmn=Mn/iη，Mmax>Mmn

式中：Mmn——電動機力矩；

η——減速器效率。

另外，在一定的設計經驗的前提下有時根據設計經驗將按負載力的20%進行余量考慮。

由傳統的選擇電機的方法可見，單純從動力負載所需的功率出發考慮，只考慮電機的動力問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，但在實際的傳動機構中它們是受限制的，只用峰值功率作為選擇電機的原則是不充分的，對空載及額定速度的設計是不準確的。如果電動機額定功率選擇的過小，就會出現“小馬拉大車”的現象，勢必使電動機過載，也就必然使電動機的電流超過額定值而使電動機過熱，電動機內絕緣材料的壽命也會縮短，甚至可能會燒毀電動機；如果電動機額定功率選擇的過大，就會變成“大馬拉小車”，電動機處于輕載狀況下運行，其功率因數和效率均會低，運行不經濟。對電機效率的預計值與實際運行有較大差距，傳動比的可行范圍較大，而且還需要由豐富的設計經驗才行，以及根據設計經驗將按負載力的一定比例進行余量考慮也是影響電動機選擇不準確的因素。

3 新的選擇直流電機方法

電機運行的主要要求是電機在額定電壓時，能在外加額定轉矩的情況下，達到一定的轉速。通俗的講就是，電機在規定的電壓及容許的電流下能帶動負載，在要求的轉速下能穩定可靠的運行。通過分析研究，提出了一種新的電動舵機電機選擇方法，即圖解機械特性目標選擇法，如圖1所示，并且在實際中得到了應用。

圖1 目標電機圖解特性曲線圖

該方法是以舵機技術性能指標為根本原則，以電動舵機負載特性為基礎，以電機機械特性為目標并以圖解機械特性的形式選擇目標電機。在對舵機特性及指標進行分析的基礎上，以舵機的額定工作點為出發點進行電機選擇。電動機額定功率的選擇是一個很重要又很復雜的問題。電動機額定功率的選擇應適當，不應過小或過大。因此，對額定點在圖1所示目標電機圖解特性曲線圖中那個位置進行定位，把舵機額定工作點所對應電機額定工作點在設計前預先設置于該電機曲線的某一合理位置作為將要選擇的電動機的目標，把該點作為電機選擇的目標之一。同理，把舵機的最大負載點、最大速度以及起動扭矩倍數等通過計算值均對等的映射到電機的機械特性曲線中，這些點均作為電機選擇的目標點，最后由目標點所對應的機械特性曲線對電機進行選擇，做到有的放矢。

新的選擇直流電動機的方法主要步驟如下：

(1)根據舵機總體結構設計方案及技術指標要求確定相關參數。各部分傳動機械的轉動慣量JL，折合到將要選定的電機的輸出軸端JM； 傳動部件的總減速比i，總減速比i的確定應結合結構位置尺寸以及舵機動態性能慣量匹配等條件綜合考慮取值；根據舵機傳動鏈組成，由各傳動件效率η1，η2，η3……等計算舵機傳動鏈總效率η總；η總=η1×η2×…×ηn。

(2)根據電動舵機最大空載速度、額定速度技術指標要求以及減速比i，計算出所需要的電機在空載時需要達到的空載速度n0和在額定負載時需要達到的額定速度nn。此目標點的確定可根據實際工作環境對速度的影響情況，用給定一定的余量后的值作為目標點。

(3)根據舵機輸出負載力技術指標要求以及各轉動部分的轉矩折算到電機軸上，計算出電機在額定負載和最大負載時電機需要達到的額定轉矩TN，根據舵機加減速轉矩的要求計算對應的電機最大峰值轉矩Tmax。電機的堵轉轉矩為TD，所以選取點時Tmax應

(4)計算確定電機額定功率PN和最大功率Pmax。伺服系統和舵回路中電機功率的確定，往往由于負載性質的不同和系統要求的不同，有不同的計算方法。為了比較合理的確定電機的功率，關鍵是要事先搞清楚負載的情況。根據舵機額定載荷和最大載荷的實際情況計算確定電機的額定功率和最大功率點。

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

(6)將所有計算的數據結果羅列出來并將該電機參數用圖解的形式表示，圖解形式如圖1所示。該曲線圖是電動舵機技術性能指標所要求的相對應的電動機機械特性曲線。以此為標準，將滿足圖解電動機機械特性曲線指標的電機列出來。

在圖1中：T-n曲線基本上是一條直線，與縱坐標Y軸的交點為空載轉速n0，與橫坐標的交點為堵轉扭矩TD；T-I曲線也是一條直線，與Y軸的交點為空載電流I0，電機的工作電流隨負載轉矩T的增大而增大；T-η曲線是一條非對稱的曲線，其最大值偏向左側為ηmax；T-P曲線是一條標準的拋物線線，其頂為電機的最大功率點Pmax，對應的轉矩為TP。圖中的A點是與電動舵機工作點相對應的目標電機的工作點(對應的扭矩為TA)。目標曲線工作點A點是根據舵機指標要求動態選取的，根據實際工作，舵機所用的電機工作點一般不會落在圖1中的陰影部分，而大都選在圖1中的非陰影區域。

(7)分析圖解的電機機械特性曲線，以最終圖解的電機機械特性曲線為目標，確定要滿足該舵機技術指標時的電動機參數要求是多少或在列出來的電機類里對比，看哪個曲線最為符合。在系列類型號中選擇，如果沒有或難以設計達到十分吻合的機械特性曲線目標，可選擇與之最相近曲線的電機。此種情況若在機載設備中選擇電機，一般選擇曲線參數略大于指標要求值，增加其可靠性。如果由于電機型號規格范圍的局限性的限制，沒有符合的理想的目標電機，則可以進行設計定制滿足此電機機械特性曲線的電機。

電動舵機用電機的選擇主要是如何正確確定與舵機負載特性與之對應的電機的主要特性數據。把電機的這些特性數據按照預定的舵機性能非常合理正確的確定下來，才能選擇出合乎要求的電機。如果在現有的電機規格型號中沒有合適的電機，則可按照圖解曲線確定的電動機參數要求進行改制或電機設計。如果設計時參數要求無法全部滿足，則可提出系統對舵機的某些指標要求是不現實的，不妥當的。這樣也可檢驗系統提出的指標是否合理。另外，電機是功率的換能器，在換能時有功率損耗。選擇電機的輸入功率時必須考慮到電機的效率。

這種選擇電機的方法使得驅動裝置的可行性檢查和不同系統間的比較更方便。該方法適用于各種負載情況，將負載和電機的特性相聯系，有關動力的各個參數均可用圖解的形式表示并且適用于各種電動舵機，無需用大量的類比來檢查電機是否能夠驅動某個特定的負載，且滿足指標更為準確，不會出現容量過剩或者容量不足的現象，使控制裝置更加容易，舵機性能恰到好處。

4 結 語

本文給出了一種舵機設計中擇直流電動機的新方法，即機械特性圖解目標選擇法。通過與一般的選用直流電動機說用方法的比較，給出了利用機械特性目標選擇法選擇直流電動機的主要步驟。使用此方法能使所選電動機在滿足產品性能指標要求的前提下，使選擇的電動機更加優化、科學，合理可靠，安全節能。選擇直流電動機的方法均適用于直流電機作為動力源的伺服機械傳動系統中，如自動控制裝置、電力傳動與拖動、機電一體化產品等。

【參考文獻】

[1] 胡巖，武建文，李德成，等. 小型電動機現代實用設計技術[M]. 北京：機械工業出版社，2008.

[2] 邱國平，邱明. 永磁直流電機實用設計及應用設計[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

[3] 顏嘉男，王自強. 伺服電機應用技術[M]. 北京：科學出版社，2010.

[4] 譚建成. 永磁無刷直流電機技術[M]. 北京：機械工業出版社，2011.

[5] KAFADER U.高精度微型驅動系統選型[M]. sachseln：Maxon academy，2007.

[6] 谷腰欣司. 直流電動機實際應用技巧[M]. 北京：科學出版社，2006.

[7] 祝小平，張才文，朱紅斌.無人機設計手冊[M]. 北京：國防工業出版社，2007.