低溫環境對直接驅動閥式作動器的影響研究

2019-09-23 06:07:36黃勇強楊振聲韓占鵬

教練機 2019年2期

黃勇強，楊振聲，韓占鵬，相梅

（航空工業洪都，江西南昌，330024）

0 引言

目前的電傳飛控系統飛機，多采用直接驅動閥（DDV）式作動器，DDV采用直線位移力馬達驅動閥芯。國外在上世紀80年代開始開發DDV，由于較伺服閥式作動器具有抗油液污染能力強、功耗低、重量和體積小等優點，被迅速應用于各種飛機的作動系統中。國內起步較晚，但經過近十年的發展，國內技術已成熟，并已經在三代甚至四代機上鋪開使用。

作動器作為飛控系統的執行機構，屬于系統關鍵部件，對飛行安全起到關鍵性作用，為滿足安全性和可靠性要求，國內各型飛機上采用的DDV作動器一般為4余度配置結構。在工作過程中，余度管理系統對作動器的每個余度單元進行監控，同時在飛行前，通過飛行前自檢來檢查作動器的完好性。在低溫環境下工作，由于油液粘稠度的增加，導致DDV閥芯受到的摩擦力增加，同時低溫對力馬達線圈、傳感器線圈以及伺服控制器元器件的影響，導致PBIT（飛行前自檢）時常申報故障。

本文論述了DDV式作動器的結構組成、工作原理，分析低溫對作動器的影響，并進行了建模仿真。

1 DDV作動器結構及工作原理

1.1 DDV結構及工作原理

圖1 DDV結構原理圖

如圖1所示，直接驅動閥主要由三部分組成：直線力馬達、液壓閥及放大器組件，其核心的組件是直線力馬達。

在沒有電流信號施加到控制線圈上時，永久磁鋼和對中彈簧使銜鐵保持在零位的平衡狀態，當有一個電信號指令輸入到閥芯的位置控制器集成塊上時,電子線路會在直線力馬達上產生一個脈寬調制(PWM)電流，振蕩器會使閥芯位置傳感器(LVDT)勵磁，經解調后的閥芯位置信號和指令位置信號進行比較，閥芯位置控制器會產生一個電流信號給直線力馬達，從而驅動閥芯到指令位置，閥芯位置與電指令信號成正比，在閥芯運動過程中，必須克服彈簧產生的對中力和一些外力(如不平衡液動力、油液污染產生的摩擦力)，在返回到中立位置時，彈簧力和直線力馬達提供給滑閥閥芯驅動力，使伺服閥減少了對污染的敏感度，在彈簧對中位置，直線力馬達僅需很低的電流。

1.2 DDV式作動器結構及工作原理

圖2 DDV式作動器結構原理圖

圖2中，DDV式作動器為機械液壓2余度、電氣4余度配置，由電氣4余度DDV力馬達驅動線圈、DDV位移傳感器、作動筒位移傳感器組成。

當雙系統供油正常時，兩個電磁切斷閥（SOV1、SOV2）上電驅動轉換閥（BPV1、BPV2）處于正常工作模態，DDV接收電流控制指令，驅動DDV閥芯分配負載流量驅動作動筒運動，DDV閥芯和作動筒內部分別裝配有電氣4余度線位移傳感器（LVDT），將閥芯位移與作動筒位置以電信號形式反饋給飛控計算機，分別構成內外回路閉環。當其中一個系統故障時，BPV1旁通作動筒中相應故障系統的兩腔，使得作動器的輸出鉸鏈力矩減半。當兩個系統均發生故障時，切斷兩個電磁閥供電，作動器通過BPV2上的節流孔實現故障松浮功能。

2 DDV式作動器伺服控制原理

作動器伺服控制回路由伺服控制器和作動器組成，伺服控制回路的原理如圖3所示（圖示為單通道，4通道相同），描述如下：

伺服控制器的DSP處理器采集對應通道的DDV位置信號和作動筒位置信號，與前向來自飛控計算機主CPU的伺服控制指令進行綜合解算，輸出作動器DDV力馬達的控制指令，經D/A轉換和電流控制器環節，形成對應通道DDV力馬達電氣線圈的控制電流，控制DDV閥的運動，閥芯運動控制液壓油活門的方向和開口大小，從而使作動筒到達指令要求的位置。

圖3伺服控制原理框圖

3 低溫環境對直接驅動閥式作動器的影響研究

3.1 低溫環境下作動器自檢測測試結果

選取兩臺某型號DDV式作動器，在低溫環境（＜-10℃）下放置足夠長時間（＞24h），分別在三個時間進行六次自檢測測試，測試結果見表1。

由表1中測試結果可知，低溫環境下自檢測測試集中申報DDV零位電流。

3.2 DDV電流產生原理

如圖4所示，伺服放大器接收控制指令、作動器位置及閥電流反饋信號，根據伺服控制回路算法，產生功率電流驅動力馬達運動，從而帶動滑閥運動，分配流量推動作動筒運動，實現作動器的伸縮。

理想情況下，中立位置時DDV零位電流及位置反饋值均為“0”。

表1測試結果

圖4伺服回路簡圖

3.3 影響DDV零位電流因素

在作動系統中，影響DDV零位電流的因素主要有閥摩擦力、作動筒和閥位置傳感器4個通道間的一致性。

3.3.1 閥摩擦力

圖5中，低溫環境下，由于器件的熱脹冷縮，閥芯間隙減小，同時液壓油粘度增大，導致閥芯受到的摩擦力增加，此時為保證閥芯處于零位，力馬達需要更多的電流以產生驅動力來克服閥芯摩擦力。

圖5閥芯間隙和傳感器通道間一致性分析圖

3.3.2 通道一致性

4余度線位移傳感器由4個獨立的電氣和機械余度組成，每個余度由繞組線圈和鐵芯組成，繞組線圈為銅線，鐵芯為不銹鋼，兩者隨溫度變化的伸長或縮回程度不一致，加上低溫對傳感器電阻的影響，導致4余度線位移傳感器的電氣輸出值出現差異，當位置傳感器反饋電氣信號經高增益伺服放大器放大后，使四個通道間的線圈電流紛爭增大，從而影響閥的電流。