彎扭復(fù)合大負(fù)載下電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)研究

帥 鵬，錢 帥，黃 建，李浩男，王 貫

(1.海軍裝備部裝備審價(jià)中心，北京 100074；2.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京 100074)

0 引言

電動(dòng)舵機(jī)是飛行器制導(dǎo)控制系統(tǒng)的重要組成部分，它根據(jù)制導(dǎo)控制系統(tǒng)指令操縱舵面偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器姿態(tài)穩(wěn)定控制。未來飛行器飛行跨空域大、速域?qū)挕?dòng)態(tài)高、非線性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊，電動(dòng)舵機(jī)受到大彎矩、大鉸鏈扭矩和大慣量負(fù)載的共同作用，應(yīng)具有高剛度、高功率密度、小型化、輕質(zhì)化和快響應(yīng)的特性[1-3]。抗復(fù)合大負(fù)載能力差的電動(dòng)舵機(jī)在工作過程中極易引發(fā)顫振，從而直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性[4-5]。目前，該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)基本采用無刷直流電機(jī)和滾珠絲杠方案，功率密度不超過300W/kg，剛度約1500(N·m)/(°)，在極端復(fù)合大負(fù)載工況下存在系統(tǒng)不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。因此，需對(duì)在有限空間質(zhì)量約束下的抗復(fù)合大負(fù)載快速響應(yīng)電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法進(jìn)行深入研究。

本文從高功率密度伺服電機(jī)設(shè)計(jì)、高剛度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化等多方面著手，提出了一種高剛度高功率密度電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了部件仿真、系統(tǒng)仿真與樣機(jī)性能試驗(yàn)。

1 高功率密度伺服電機(jī)設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)是電動(dòng)舵機(jī)的核心部件，其在彎扭復(fù)合大負(fù)載工況下具有高動(dòng)態(tài)性能和高轉(zhuǎn)矩過載能力，是電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)和研究的重點(diǎn)[6]。本文選用高功率密度永磁同步電機(jī)作為電動(dòng)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)力來源，電機(jī)的永磁材料選用燒結(jié)釤鈷，定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心選用疊壓的電工鋼帶，并用特殊工藝粘接。相比其他類型的伺服電機(jī)，具有功率密度高、高效低損耗、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小和控制精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)[7-9]。

根據(jù)任務(wù)要求，電動(dòng)舵機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.8kg·m2，額定轉(zhuǎn)矩800N·m，彎矩4000N·m，最大轉(zhuǎn)速不低于200(°)/s，系統(tǒng)頻帶不低于15Hz。由此確定的伺服電機(jī)性能參數(shù)如下：1)額定轉(zhuǎn)矩：3N·m；2)額定轉(zhuǎn)速：11000r/min；3)峰值力矩：11N·m。經(jīng)過多輪計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的永磁同步電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

在Ansoft軟件中建立伺服電機(jī)仿真模型，進(jìn)行電磁和性能仿真，計(jì)算得到電機(jī)輸出額定力矩時(shí)的磁密特性如圖1和圖2所示，額定輸出力矩曲線如圖3示。由仿真結(jié)果可知，伺服電機(jī)輸出額定力矩3N·m時(shí)的齒磁密為1.5T，轉(zhuǎn)速達(dá)到11000r/min，滿足電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)要求。

圖1 額定力矩的磁密云圖Fig.1 Magnetic density cloud diagram of rated torque

圖2 額定力矩的磁密曲線Fig.2 Magnetic density curve of rated torque

圖3 電機(jī)額定輸出力矩曲線Fig.3 Motor rated output torque curve

針對(duì)飛行器對(duì)電動(dòng)舵機(jī)高功率密度、高剛度和適應(yīng)惡劣力學(xué)環(huán)境的要求，對(duì)伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。1)電機(jī)軸與電機(jī)齒輪采用一體化設(shè)計(jì)，避免了電機(jī)軸與電機(jī)齒輪分體時(shí)銷裝工藝可能造成的電機(jī)軸承損傷，也進(jìn)一步提高了傳動(dòng)剛度和可靠性；2)電機(jī)殼體與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體采用一體化設(shè)計(jì)，解決了電機(jī)殼體與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)殼體分體方案造成的接連剛度不足和體積質(zhì)量過大的問題；3)電機(jī)軸兩端選用角接觸軸承支撐，與深溝球軸承相比，角接觸軸承軸向承載能力更強(qiáng)，更適應(yīng)飛行過程中的大量級(jí)振動(dòng)和強(qiáng)烈沖擊。

最終設(shè)計(jì)得到的伺服電機(jī)如圖4所示，單個(gè)伺服電機(jī)質(zhì)量約1.6kg,功率密度達(dá)到2.1kW/kg。

圖4 高功率密度永磁同步電機(jī)Fig.4 High power density permanent magnet synchronous motor

2 高剛度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有高剛度和高效率的工作特性，剛度特性差的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在復(fù)合大負(fù)載下極易引發(fā)顫振，從而直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。在國(guó)外，行星滾柱絲杠已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭推力矢量伺服機(jī)構(gòu)和高超聲速飛行器電動(dòng)舵機(jī)等領(lǐng)域，在高剛度、大推力、高精度場(chǎng)合開始快速取代滾珠絲杠成為直線伺服系統(tǒng)的主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[10-13]。本文選用了標(biāo)準(zhǔn)型小螺距行星滾柱絲杠，以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)部件的高剛度、高承載能力和小型化，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示，并針對(duì)復(fù)合大負(fù)載工況進(jìn)行了螺紋參數(shù)優(yōu)化和一體化設(shè)計(jì)，樣機(jī)如圖6所示。

圖5 行星滾柱絲杠Fig.5 Structure of planetary roller screw

圖6 行星滾柱絲杠樣機(jī)Fig.6 Planetary roller screw prototype

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選用齒輪與平面連桿機(jī)構(gòu)組合的方案，并采用了齒輪一體化設(shè)計(jì)和大彎矩輸出軸支承結(jié)構(gòu)技術(shù)。如圖7所示，永磁同步電機(jī)通過一體化電機(jī)齒輪輸出力矩和轉(zhuǎn)速，經(jīng)惰輪傳遞到行星滾柱絲杠設(shè)有的圓柱齒輪上，絲杠齒輪兩端安裝有推力軸承以承受軸向推力，行星滾柱絲杠將力矩和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€推力和位移后，通過連桿和搖臂推動(dòng)輸出軸和舵面偏轉(zhuǎn)。輸出軸通過一對(duì)圓錐滾子軸承支撐，承受舵面?zhèn)鬟f給輸出軸的彎矩、扭矩和慣量負(fù)載。

圖7 電動(dòng)舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.7 Transmission mechanism of EMA

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其殼體按照功能與受力情況不同，分別采用高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金、不銹鋼等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，并應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重與優(yōu)化設(shè)計(jì)。電動(dòng)舵機(jī)的位置反饋采集采用線性可變差動(dòng)傳感器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)實(shí)現(xiàn)，它能夠進(jìn)行非接觸式位移測(cè)量，且工作壽命長(zhǎng)、精度高、性能穩(wěn)定[14-15]。傳感器傾斜布置在同步電機(jī)定子組件與行星滾柱絲杠組件之間，顯著減少了殼體的體積和質(zhì)量，提高了空間利用率。

圖8 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等效應(yīng)力云圖Fig.8 Equivalent stress cloud diagram of transmission mechanism

利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)電動(dòng)舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行極限負(fù)載下的靜力學(xué)仿真分析，得到的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(含行星滾柱絲杠)等效應(yīng)力云圖如圖8所示。仿真結(jié)果顯示，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在滾柱絲杠螺紋處，470MPa小于材料許用應(yīng)力，整體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，通過計(jì)算負(fù)載力矩與變形量的比值，可得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛度達(dá)到1865(N·m)/(°)。

3 系統(tǒng)仿真

在MATLAB中構(gòu)建系統(tǒng)模型，如圖9所示。系統(tǒng)在負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.8kg·m2、額定轉(zhuǎn)矩800N·m和彎矩4000N·m工況下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)仿真結(jié)果如圖10所示。由仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)速約210(°)/s，滿足不小于200(°)/s的指標(biāo)要求。

圖11所示為額定轉(zhuǎn)矩800N·m工況下，幅值2.5°、頻率15Hz正弦信號(hào)下的系統(tǒng)響應(yīng)仿真結(jié)果，仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)響應(yīng)幅值1.9°，衰減不超過-3dB，系統(tǒng)頻帶優(yōu)于15Hz，滿足指標(biāo)要求。

圖9 系統(tǒng)仿真模型Fig.9 System simulation model

圖10 最大轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.10 Maximum speed simulation result

圖11 頻帶仿真結(jié)果Fig.11 Frequency band simulation result

4 性能試驗(yàn)

將電動(dòng)舵機(jī)安裝于加載試驗(yàn)臺(tái)上，采用專用舵機(jī)放大器和測(cè)試設(shè)備對(duì)該電動(dòng)舵機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，其中測(cè)試設(shè)備通過RS422通信接口給予系統(tǒng)控制指令，并接收系統(tǒng)對(duì)外輸出的反饋數(shù)據(jù)，專用舵機(jī)放大器功率驅(qū)動(dòng)器開關(guān)頻率為16kHz。采用彈性扭桿與慣量工裝的方式，對(duì)電動(dòng)舵機(jī)施加彈性力矩負(fù)載和慣量負(fù)載，采用液壓加載的方式，對(duì)電動(dòng)舵機(jī)施加彎矩負(fù)載。

圖12所示為電動(dòng)舵機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.8kg·m2、額定轉(zhuǎn)矩800N·m和彎矩4000N·m條件下的轉(zhuǎn)速測(cè)試曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，在此工況下電動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)速為220(°)/s，優(yōu)于不小于200(°)/s的指標(biāo)要求。

圖12 輸出轉(zhuǎn)速測(cè)試曲線Fig.12 Output speed test curve

圖13所示為電動(dòng)舵機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.8kg·m2、額定轉(zhuǎn)矩800N·m和彎矩4000N·m工況下，輸入幅值2.5°、頻率15Hz的正弦控制信號(hào)的系統(tǒng)頻帶測(cè)試曲線。從測(cè)試曲線可知，電動(dòng)舵機(jī)位置反饋信號(hào)無畸變，反饋信號(hào)峰峰值為1.78°，幅頻特性衰減小于-3dB，相角均值滯后約85.3°，系統(tǒng)頻帶優(yōu)于15Hz。

圖13 頻帶測(cè)試曲線Fig.13 Frequency band test curve

圖14所示為給電動(dòng)舵機(jī)施加800N·m的反向操縱力矩后(負(fù)載施加方向與電動(dòng)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)方向一致)，伺服系統(tǒng)從10°位置階躍回到零位的反向操縱力矩測(cè)試曲線。由圖可知，電動(dòng)舵機(jī)在承受800N·m的反向操縱力矩的情況下，控制穩(wěn)定性良好，沒有出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)精度滿足指標(biāo)。

圖14 反向操縱力矩測(cè)試曲線Fig.14 Reverse steering torque test curve

5 結(jié)論

針對(duì)復(fù)合大負(fù)載工況電動(dòng)舵機(jī)穩(wěn)定性的問題，重點(diǎn)研究了有限空間質(zhì)量約束下的伺服電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提出了一種區(qū)別于現(xiàn)有無刷直流電機(jī)和滾珠絲杠方案，基于高壓永磁同步電機(jī)、高剛度行星滾柱絲杠和一體化設(shè)計(jì)技術(shù)的高剛度高功率密度抗復(fù)合大負(fù)載快速響應(yīng)電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了部件仿真、系統(tǒng)仿真與樣機(jī)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該電動(dòng)舵機(jī)能夠在復(fù)合大負(fù)載工況下穩(wěn)定運(yùn)行，功率密度達(dá)到393W/kg，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛度達(dá)到1865(N·m)/(°)，系統(tǒng)頻帶不低于15Hz，指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，證明了該方法具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。