低温环境对直接驱动阀式作动器的影响研究

黄勇强，杨振声，韩占鹏，相 梅

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

目前的电传飞控系统飞机，多采用直接驱动阀（DDV）式作动器，DDV采用直线位移力马达驱动阀芯。国外在上世纪80年代开始开发DDV，由于较伺服阀式作动器具有抗油液污染能力强、功耗低、重量和体积小等优点，被迅速应用于各种飞机的作动系统中。国内起步较晚，但经过近十年的发展，国内技术已成熟，并已经在三代甚至四代机上铺开使用。

作动器作为飞控系统的执行机构，属于系统关键部件，对飞行安全起到关键性作用，为满足安全性和可靠性要求，国内各型飞机上采用的DDV作动器一般为4余度配置结构。在工作过程中，余度管理系统对作动器的每个余度单元进行监控，同时在飞行前，通过飞行前自检来检查作动器的完好性。在低温环境下工作，由于油液粘稠度的增加，导致DDV阀芯受到的摩擦力增加，同时低温对力马达线圈、传感器线圈以及伺服控制器元器件的影响，导致PBIT（飞行前自检）时常申报故障。

本文论述了DDV式作动器的结构组成、工作原理，分析低温对作动器的影响，并进行了建模仿真。

1 DDV作动器结构及工作原理

1.1 DDV结构及工作原理

图1 DDV结构原理图

如图1所示，直接驱动阀主要由三部分组成：直线力马达、液压阀及放大器组件，其核心的组件是直线力马达。

在没有电流信号施加到控制线圈上时，永久磁钢和对中弹簧使衔铁保持在零位的平衡状态，当有一个电信号指令输入到阀芯的位置控制器集成块上时,电子线路会在直线力马达上产生一个脉宽调制(PWM)电流，振荡器会使阀芯位置传感器(LVDT)励磁，经解调后的阀芯位置信号和指令位置信号进行比较，阀芯位置控制器会产生一个电流信号给直线力马达，从而驱动阀芯到指令位置，阀芯位置与电指令信号成正比，在阀芯运动过程中，必须克服弹簧产生的对中力和一些外力(如不平衡液动力、油液污染产生的摩擦力)，在返回到中立位置时，弹簧力和直线力马达提供给滑阀阀芯驱动力，使伺服阀减少了对污染的敏感度，在弹簧对中位置，直线力马达仅需很低的电流。

1.2 DDV式作动器结构及工作原理

图2 DDV式作动器结构原理图

图2中，DDV式作动器为机械液压2余度、电气4余度配置，由电气4余度DDV力马达驱动线圈、DDV位移传感器、作动筒位移传感器组成。

当双系统供油正常时，两个电磁切断阀（SOV1、SOV2）上电驱动转换阀（BPV1、BPV2）处于正常工作模态，DDV接收电流控制指令，驱动DDV阀芯分配负载流量驱动作动筒运动，DDV阀芯和作动筒内部分别装配有电气4余度线位移传感器（LVDT），将阀芯位移与作动筒位置以电信号形式反馈给飞控计算机，分别构成内外回路闭环。当其中一个系统故障时，BPV1旁通作动筒中相应故障系统的两腔，使得作动器的输出铰链力矩减半。当两个系统均发生故障时，切断两个电磁阀供电，作动器通过BPV2上的节流孔实现故障松浮功能。

2 DDV式作动器伺服控制原理

作动器伺服控制回路由伺服控制器和作动器组成，伺服控制回路的原理如图3所示（图示为单通道，4通道相同），描述如下：

伺服控制器的DSP处理器采集对应通道的DDV位置信号和作动筒位置信号，与前向来自飞控计算机主CPU的伺服控制指令进行综合解算，输出作动器DDV力马达的控制指令，经D/A转换和电流控制器环节，形成对应通道DDV力马达电气线圈的控制电流，控制DDV阀的运动，阀芯运动控制液压油活门的方向和开口大小，从而使作动筒到达指令要求的位置。

图3伺服控制原理框图

3 低温环境对直接驱动阀式作动器的影响研究

3.1 低温环境下作动器自检测测试结果

选取两台某型号DDV式作动器，在低温环境（＜-10℃）下放置足够长时间（＞24h），分别在三个时间进行六次自检测测试，测试结果见表1。

由表1中测试结果可知，低温环境下自检测测试集中申报DDV零位电流。

3.2 DDV电流产生原理

如图4所示，伺服放大器接收控制指令、作动器位置及阀电流反馈信号，根据伺服控制回路算法，产生功率电流驱动力马达运动，从而带动滑阀运动，分配流量推动作动筒运动，实现作动器的伸缩。

理想情况下，中立位置时DDV零位电流及位置反馈值均为“0”。

表1测试结果

图4伺服回路简图

3.3 影响DDV零位电流因素

在作动系统中，影响DDV零位电流的因素主要有阀摩擦力、作动筒和阀位置传感器4个通道间的一致性。

3.3.1 阀摩擦力

图5中，低温环境下，由于器件的热胀冷缩，阀芯间隙减小，同时液压油粘度增大，导致阀芯受到的摩擦力增加，此时为保证阀芯处于零位，力马达需要更多的电流以产生驱动力来克服阀芯摩擦力。

图5阀芯间隙和传感器通道间一致性分析图

3.3.2 通道一致性

4余度线位移传感器由4个独立的电气和机械余度组成，每个余度由绕组线圈和铁芯组成，绕组线圈为铜线，铁芯为不锈钢，两者随温度变化的伸长或缩回程度不一致，加上低温对传感器电阻的影响，导致4余度线位移传感器的电气输出值出现差异，当位置传感器反馈电气信号经高增益伺服放大器放大后，使四个通道间的线圈电流纷争增大，从而影响阀的电流。

3.4 仿真分析

AMESim仿真平台是一个多学科物理建模平台，该软件使用图形化的建模开发环境，为流体、机械、控制、电气、磁等工程提供了完善的联合仿真解决方案。本文针对直接驱动阀式作动器结构特点，建立AMEsim+Matlab联合仿真的作动器伺服回路模型，如图6、图7所示。

图6 AMEsim伺服回路模型

3.4.1 阀芯摩擦力仿真分析

模拟低温环境下 （-15℃）阀芯运动受到的摩擦力，给定10N，给作动器模型输入2Vpp方波指令，仿真结果阀零偏电流0.18V，如图8所示。

图8低温导致摩擦力引起的阀电流变化曲线

3.4.2 通道一致性仿真分析

1)阀位置传感器通道一致性仿真

模拟低温环境下阀位置传感器通道间的纷争，设定最大为3.8%F*S，按此指标设置通道间2：2纷争，给作动器2Vpp方波指令，仿真结果阀零偏电流0.12V，如图9所示。

图7 Matlab伺服回路模型

图9阀位置不一致阀电流曲线

2)作动筒位置传感器通道一致性仿真

模拟低温环境下作动筒位置传感器通道间的纷争。设定最大为1.2%F*S，按此指标设置通道间2：2纷争，给作动器2Vpp方波指令，仿真结果阀零偏电流0.43V，如图10所示。

图10作动筒位置不一致阀电流曲线

3)综合影响仿真

综合以上各种情况，给作动器2Vpp方波指令，仿真结果阀零偏电流0.77V，如图11所示。

4 结论

本文论述了直接驱动阀式作动器的结构组成、工作原理，分析了低温对作动器的影响因素，并建立了作动器的AMEsim+Matlab联合仿真，仿真结果表明，低温环境会影响直接驱动阀式作动器的阀零位电流，导致作动器的工作性能下降。

图11综合因素导致的阀电流曲线