通用飞机电动舵机的设计

高荣华 徐军 章枧 郑富磊

摘 要：飞机舵机作为自动飞行控制系统的执行机构，其性能直接影响自动飞行控制系统的性能。本文介绍了一种用于通用飞机自动飞行控制系统的电动舵机的设计，从通用飞机电动舵机的功能、性能、总体组成、工作方式、部件的选择和机械结构的设计几个方面进行了描述和介绍。最后对设计完成的电动舵机进行了功能和性能测试，并给出了舵机的测试结果和结论。

关键词：电动舵机 通用飞机 控制器 直流电机

中图分类号：TJ765 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0127-02

舵机作为自动飞行控制系统中的关键部件之一，其性能也直接影响到整个自动飞行控制系统中的工作。随着自动飞行控制系统的发展，舵机性能的提高成为进一步改进飞行控制系统性能的重要环节。目前一般飞机飞行1000 h才允許出一次故障，所以对舵机的安全性和可靠性也提出了很高的要求[1]。

1 舵机功能描述

本舵机适用于通用飞机，按照《中华人民共和国通用航空飞行管制条例》中的规定，通用航空，是指除军事、警务、海关缉私飞行和公共航空运输飞行以外的航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业、矿业、建筑业的作业飞行和医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、遥感测绘、教育训练、文化体育、旅游观光等方面的飞行活动。用于这些活动的飞机称为通用飞机。[2]

本舵机为电动位置运动舵机，是自动飞行控制系统的执行机构，负责驱动固定翼飞机舵面运动，从而控制飞机的飞行姿态和轨迹。

本电动舵机接收自动驾驶仪发出的指令信号，经过舵机控制器处理，形成舵机控制电信号，驱动电机转动。电机经过齿轮系的减速后，输出合适的转速及力矩，通过钢索拉动舵面。本舵机还有安全保护离合，可以在一定情况下脱开舵机和舵面的连接。该舵机拥有较长的使用寿命和易维护性。

2 舵机总体设计

2.1 总体组成

本舵机由电机组件、机械传动机构、机械支架、电磁铁、继电器等部分组成。

（1）电机组件包括电机、编码器、舵机控制器三部分组成。

（2）机械传动机构包括齿轮减速箱、离合器、减速齿轮系、钢索绞盘等组成。

（3）机械支架包括舵机控制器的固定板、电机和电磁铁的支架、离合器支架等。起到对电机套件和机械传动机构的支撑和固定作用

2.2 舵机的工作方式

舵机使用28 V电源进行供电。电机通过齿轮减速箱、离合器、齿轮减速系带动钢索绞盘转动，拉动舵面运动的钢索缠绕在钢索绞盘上，钢索绞盘转动带动钢索拉动舵面运动。

舵机控制器使用串行通信接口与自动驾驶仪进行连接。舵机控制指令采用ASCII码格式，通信协议为标准串行通信协议。

在自动驾驶仪暂停或者停止工作时，离合器脱开，断开齿轮传动，从而脱开舵机和舵面之间的连接。使用离合器控制命令控制离合器时，通过自动驾驶仪给舵机控制器发送离合器控制命令，舵机控制器接收指令并发出离合器控制信控制继电器，继电器控制离合器的吸合。

3 舵机部件的设计

舵机部件的基本选择要求：（1）满足功能和任务要求。（2）满足尺寸及重量要求。（3）电压一致性，就是简化舵机的供电，使用相同的工作电压。（4）工作稳定，使用尽量成熟的产品、部件或者结构。

3.1 电机套件的设计

3.1.1 电机的选择

有刷电机启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单，电刷换向器会磨损。但是碳刷换向器的使用寿命已经可以满足飞机飞行时间要求，考虑有刷电机的成本较低，故而选择有刷电机，工作寿命大于3000 h。

3.1.2 编码器的选择

磁编码器采用磁电式设计，利用磁器件代替了传统的码盘，弥补了光电编码器的缺陷，更具抗震、耐腐蚀、耐污染、性能可靠高、结构更简单。由于舵机工作环境的复杂性，所以编码器选取磁编码器。

3.2 机械传动机构的设计

3.2.1 减速箱的选择

齿轮减速箱分为直齿结构减速箱、行星结构减速箱和混合结构减速箱。

在齿轮减速箱中，行星齿轮减速箱以其体积小，传动效率高，减速范围广，精度高等诸多优点，而被广泛应用于伺服电机、步进电机、直流电机等传动系统中。本舵机选取的也是行星齿轮减速箱。

3.2.2 齿轮减速系和钢索绞盘的设计

减速系采用齿轮减速，电机输出转速经齿轮传动机构减速后将舵机（钢索绞盘）总输出转速减速至需要的转速，总输出转矩不小于舵面需要克服的力矩。通过电磁铁的控制离合器，可完成齿轮传动机构的啮合和松开。

4 舵机测试

使用iHAWK Simbox仿真计算机对舵机进行测试，包括对舵机的功能和性能测试两个方面。

4.1 舵机功能测

使用iHAWK Simbox仿真计算机给舵机控制器发送运动控制命令和离合器控制命令，舵机能够正确执行命令进行位置控制，并观察舵机离合能够按照命令正常吸合和断开。

4.2 舵机性能测试

对舵机的带宽进行测试，给舵机输入形式为Asinwt的正弦波作为激励信号，以舵机的输出角度为输出，测试舵机的动态特性。

5 结论

该电动舵机的部件选取合适，机械结构设计合理、耐用。功能上能够接收自动驾驶仪发出的控制指令并正确执行指令，能够通过离合器完成绞盘输出的断开和接通，动态特性能满足通用飞机对电动舵机的要求。

参考文献

[1] 高金源，焦宗夏，张平.飞机电传操纵系统与主动控制技术（第一版）[M].北京，北京航空航天大学出版社，2005.

[2] 通用航空飞行管制条例[Z].北京.

[3] 徐军，欧阳邵修.运输类飞机自动飞行控制系统[M].北京：国防工业出版社，2013.

[4] 闵荣，王永军，王俊彪.电动舵机快速设计技术研究[J].航空制造技术，2011（7）：72-75.

[5] 曹建华，白冰如.飞机构造[M].北京：国防工业出版社，2012.

[6] 吴昌林，张卫国，姜柳林.机械设计[M].3版.华中科技大学出版社，2011.