某型號舵機Y、Z軸振動電流超差問題探究

吳江永

摘 要：某型號電動舵機Y、Z軸振動過程中出現電流超差問題，本文通過對引起電流超差的可能原因進行詳細分析對比并結合實際試驗結果，最后對該型號舵機電流超差問題提出有效解決措施。

關鍵詞：電動舵機；Y、Z軸向振動；電流超差

1、前言

我廠研制的某型號電動舵機振動過程中出現電流超差問題，而且比較異常的情況是當舵機進行X軸向振動時舵機電流曲線都還正常，但是當舵機進行Y方向或Z方向振動時，電流曲線則會變粗，實際電流均值明顯增大最終導致電流超出指標要求。

2、電流超差原因初步分析

舵機的工作原理是舵機通過電位器采集位置反饋信號，位置反饋信號在經過轉換后與輸入的指令信號進行比較調節形成控制信號，控制信號通過功率放大電路來驅動電機轉動，電機通過減速器減速后實現對舵面軸角位移的控制。

從電流超差的振動曲線可以看出電流超差與反饋曲線抖動存在正向相關關系，電流超差的Y、Z軸向振動伴隨反饋曲線抖動，而電流正常的X軸向振動中反饋曲線則很平滑。從舵機工作原理看，如果反饋檢測環節檢測到的反饋信號一直在變化，且變化使得指令信號和反饋信號的差值超出舵機靈敏區，伺服電機便會啟動工作糾偏舵面，糾偏后反饋曲線仍一直抖動，電機則一直工作繼續糾偏舵面。可以看出反饋信號抖動是舵機電流增大的間接原因，下面將就反饋信號抖動的原因進行分析。

3、反饋曲線抖動原因

反饋信號抖動存在兩種可能：a）舵機實際在抖動，反饋信號真實反映舵機抖動現象；b）反饋信號采集失真得到錯誤的抖動信號，舵機實際并沒有抖動，只是由于反饋信號抖動使得電機得到錯誤的控制指令最終導致舵機異常動作，而舵機異常動作則反過來加劇反饋信號采集失真的錯誤，最終造成電流急劇增加，下面就這兩種情況進行逐一分析。

3.1舵機抖動引起的反饋曲線抖動

舵機抖動的原因存在三種情況：a）舵機傳動機構間隙過大，振動過程中舵面出現抖動；b）舵機阻尼過小，振動過程中舵面出現抖動；c）舵機控制參數不合理導致舵機震蕩抖動。下面就這三種情況進行分析。

3.1.1舵機傳動機構間隙大引起的抖動分析

舵機傳動機構工作原理是電機帶動直齒輪轉動，直齒輪帶動絲杠轉動從而使絲杠螺母在絲桿上軸向運動，絲桿螺母通過拉桿組件的插拔與之相連從而帶動舵軸轉動，舵軸最終帶動舵面實現偏轉。舵機傳動機構主要由直齒輪，滾珠絲杠，拉桿組件，舵軸組成。因此舵機傳動機構的間隙主要由以下四種情況構成：

a）絲杠螺母的軸向間隙，已由技術協議控制，極限值為0.01mm，間隙本身較小，且該間隙與舵機X軸向同向，如果是該間隙引起的舵機抖動，則舵機抖動應該在舵機X軸向振動時表現最為突出，因此可以斷定絲杠螺母的軸向間隙不是造成舵機Y、Z軸向舵機抖動的原因。

b）絲杠的軸向間隙，由背對安裝的兩個角接觸軸承在安裝孔內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可通過增減調整墊片進行調整，絲杠軸向間隙2可通過擰緊鎖緊螺母來達到消除，這兩個間隙都與舵機X軸向同向，如果是該間隙引起的舵機抖動，則舵機抖動應該在X軸向振動時表現最為突出，由此可以斷定絲杠軸向間隙不是造成舵機Y、Z軸向振動發生抖動的原因。

c）拉桿組件間隙，由4處間隙組成，此4處間隙綜合起來可達0.039，但拉桿組件間隙存在是為了保證舵機轉動的靈活性，不可完全消除，否則會造成舵機卡滯或舵機速度下降。且拉桿組件的四處間隙均與舵機X軸向同向。如果是此處間隙引起的舵機抖動，則舵機X軸向振動舵機也會抖動。

d） 直齒輪的傳動側隙，舵機采用是精度等級為7級齒輪，側隙較小，對舵機抖動影響較小。綜上傳動機構間隙并不是舵機Y、Z軸向振動發生抖動的原因。

3.1.2舵機阻尼過小引起的抖動分析

舵機阻尼可以粗略分為傳動機構摩擦阻尼及舵面摩擦阻尼構成。傳動機構的摩擦阻尼與傳動機構間隙密切相關，同傳動機構間隙一樣也應不是造成Y、Z軸向振動電流超差的原因。通過前期多次實驗結果，增加舵面摩擦阻尼可以減少舵機抖動，但效果輕微，且并不能測底改善Y、Z軸向振動電流超差現象。

3.1.3舵機控制參數不合理引起的抖動分析

舵機采用PID參數控制，如果比例參數過高，則會出現抖動，但如果是由于控制參數設定不合理引起的電流超差，那應該在三個振動方向上都會表現出來才對，而不應只是在Y、Z方向引起電流超差。

3.2反饋信號采集失真引起的反饋曲線抖動

反饋信號采集的是舵機的偏轉角度，由與舵面同步轉動的轉軸傳遞給電位器，再由電位器采集得到。反饋信號采集失真有兩種情況：a）電位器缺陷導致采集失真；b）轉軸傳遞的舵面轉動信息有誤，很可能是轉軸在振動時發生抖動，導致電位器采集到錯誤的信號。下面就這兩種情況進行分析。

3.2.1電位器采集失真引起的反饋曲線抖動

電位器缺陷導致反饋信號采集失真。但通過前期更換電位器的實驗來看，也應不是電位器的問題。

3.2.2 電位器轉軸抖動引起的反饋曲線抖動

圖1是轉軸裝配圖，其中舵機X軸振動方向與轉軸軸向方向（長度方向）垂直，舵機Y、Z軸振動方向與轉軸軸向方向均成45°。

轉軸徑向靠軸承定位，其間隙較小。轉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決定，間隙大小不確定。

我們可以做這樣假設：當舵機進行X軸向振動時，由于轉軸徑向間隙較小，抖動并不嚴重，反饋信號失真也不嚴重，舵機因此沒有發生抖動；當舵機進行Y、Z軸向振動時由于轉軸軸向間隙存在，且該間隙方向與Y、Z軸向成45°，轉軸便會發生抖動，近而造成電位器采集的反饋信號失真，最終錯誤引導電機啟動糾偏本已處于正確位置的舵面，發生抖動。而這樣的假設與測試結果完全吻合，由此我可以初步斷定轉軸軸向間隙過大是造成Y、Z軸向振動舵機電流超差的根本原因。

4、試驗驗證情況

為驗證轉軸軸向間隙對舵機振動電流的影響我們決定開展實驗驗證，試驗選取了Y、Z軸振動電流已經超差的舵機在軸承兩端均增加調整墊片，直到推動轉軸手感不再有間隙為止，轉軸增加墊片后舵機重新進行了振動，舵機Y、Z軸向振動電流超差的情況得到大大改善，將測試曲線放大并與之前未增加調整墊片的測試曲線進行對比，可以看出電流抖動明細改善，反饋曲線抖動幅值從0.15°降至0.05°。

找到電流超差的原因后，我們對同一批次的所有舵機均在轉軸與軸承之間均增加調整墊片，消除轉軸軸向間隙，最終整批舵機振動電流全部合格

至此，舵機Y、Z軸向振動電流超差問題得到徹底解決，舵機按時交付得以順利進行。同時可以確定轉軸軸向間隙過大是造成舵機Y、Z軸向振動電流超差的根本原因。

5、結論

本文通過對可能造成舵機電流超差的各種具體情況進行逐一分析、甄別，從傳動機構間隙、舵機阻尼、控制參數設定、電位器采集失真中找出轉軸軸向間隙是造成舵機Y、Z軸向振動電流超差的根本原因，并經過試驗進行驗證。

參考文獻：

[1]吳金波，李紹安，李維嘉，尹周平.新型電動負載模擬器的控制器設計[J].自動化儀表. 2010（03） 56-57