一種無人機用小型雙余度電動伺服舵機的設(shè)計
王慧娟，王道波
（南京航空航天大學(xué)，南京210016）
摘要：隨著無人機可靠性要求的提高，對操縱無人機舵面的小型舵機的可靠性的要求也日趨提升，為此設(shè)計了一種無人機用的小型雙余度電動伺服舵機。該雙余度電動伺服舵機采用了雙電機驅(qū)動，雙反饋元件和雙驅(qū)動元件，可較為容易地實現(xiàn)兩余度運行。此外，為實現(xiàn)雙余度舵機系統(tǒng)的在線動態(tài)檢測，文章將雙余度舵機劃分為多個組件，根據(jù)不同組件特性，選用采用模型比較監(jiān)控或比較兩通道輸出的方法構(gòu)成系統(tǒng)的故障自檢測( bit)模塊。由于采用了雙余度方案，該舵機的任務(wù)可靠度與單余度的同類舵機相比明顯提高，能用于可靠性要求較高的無人機中。
關(guān)鍵詞：雙余度舵機；無人機；可靠性；故障診斷
中圖分類號：tm383.4; tm307 +.1 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848{2010)03-0024-04
0引言
電動伺服舵機在我國及世界上多種飛機上都有使用，而在現(xiàn)代無人機上的應(yīng)用尤為廣泛。但是由電氣、電子、機械部件所組成的單套伺服系統(tǒng)的可靠性，在當(dāng)今的元器件與系統(tǒng)練合的技術(shù)水平條件下，尚無法同傳統(tǒng)的電液操縱系統(tǒng)相比。對于任何系統(tǒng)而言，故障總是客觀存在的，雖然可通
過提高系統(tǒng)各組成元件的質(zhì)量、加強對元件的保護、甚至改良設(shè)計等措施來提高系統(tǒng)的可靠性，但需要付出很大的代價，而可靠性的提高卻并不顯著。余度技術(shù)可以在相對降低對元器件的要求的同時有效提高系統(tǒng)可靠性[1,2]。因此，本文設(shè)計了一種適用于無人機的小型雙余度電動舵機，該舵機具備完全電氣雙余度，可通過電氣開關(guān)切換運行狀態(tài)，并設(shè)計有局部余度，工作1000 h任務(wù)可靠度大于0.9。本文還設(shè)計了舵機余度管理系統(tǒng)以及基于系統(tǒng)組件故障特性的故障自檢測模塊，能有效地對系統(tǒng)故障進行定位和預(yù)警，并進行故障保護。
1雙余度電動舵機系統(tǒng)
雙余度電動舵機系統(tǒng)如圖1所示。當(dāng)某個電氣通道故障時，由故障診斷及余度管理系統(tǒng)將該通道隔離，使此電機處于隨動狀態(tài)，而不影響另一電機工作。這樣可以保證舵機某一電氣通道中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)也能正常工作。
為提高系統(tǒng)余度性，在系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)上，除了在控制指令級采用備份冗余外，功率放大器、直流電機和位置傳感器都采用了并聯(lián)冗余；在功能設(shè)計上，系統(tǒng)將位置閉環(huán)控制功能與余度管埋功能分離；另外，該雙余度舵機還設(shè)計有傳感器局部余度，可保證當(dāng)一個傳感器出現(xiàn)故障時，舵機仍具有一定的余度性。由于采用了完全電氣雙余度配制和局部余度構(gòu)型，該舵機的任務(wù)可靠度與單余度的同類舵機相比明顯提高。根據(jù)表1所列出的舵機元器件可靠性，可計算出單舵回路平均無故障工作時間為4454. 29 h，系統(tǒng)工作1 000 h的任務(wù)可靠度為0. 803。由于系統(tǒng)復(fù)雜度增加，雙余度舵機平均無故障工作時間降至2227. 15 h，但是由余度系統(tǒng)馬爾可夫故障模型”1可知，雙余度舵機1 000 h任務(wù)可靠度提高至0.9461，遠高于單舵回路的可靠性，可滿足高可靠度無人機的需要。
這種雙余度舵機通過電氣開關(guān)隔離通道故障，不需要額外增加離合器或制動器之類的機械隔離裝置，使得該舵機具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單的特點，有利于提高整機的可靠性。由于輸出軸的輸出為兩輸入軸的機械運動合成，且兩輸入軸承擔(dān)的力矩不變，因此只要保證兩輸出電機轉(zhuǎn)速相同，即可保證兩電機間的負載均衡，并很好地解決了力紛爭的問題。但這種舵機對加工精度要求較高，而且當(dāng)舵機單余度運行時，被隔離的通道電機轉(zhuǎn)子會跟隨另一電機轉(zhuǎn)動，相當(dāng)于舵機增加了一個負載，這就要求直流電機就有較小的機械慣量。因此，這種雙余度舵機適用于操縱小型飛機或無人機的舵面。
2雙余度舵機的伺服控制系統(tǒng)
雙余度舵機是一種位置隨動系統(tǒng)，采用位置閉環(huán)控制。雙余度舵機靜摩擦力干擾十分明顯，常會出現(xiàn)“步進”或“爬行”現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的直流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，常采用控制電壓上疊加高頻正弦波使電機微振以減小摩擦力矩。但是不同工作狀態(tài)下舵機伺服系統(tǒng)控制電壓所需疊加的正弦波幅值并不相同，本文提出將高頻正弦波作用點前移，疊加在位移給定信號上，如 |
