常紅 常碩

摘要：氣動舵機(jī)作為制導(dǎo)裝備中控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，主要作用是在制導(dǎo)裝備飛行途中控制飛行姿態(tài)和改變飛行軌跡。正常情況下裝備保持穩(wěn)定飛行，但在整彈檢測時(shí)，偶有舵機(jī)抖動問題出現(xiàn)，影響裝備使用性能。針對此類問題，通過深入研究氣動舵機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵部件特性，并進(jìn)行大量的抖動試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析，得出射流管閥磁量對舵機(jī)抖動的影響因素。

關(guān)鍵詞：氣動舵機(jī)；制導(dǎo)裝備；抖動試驗(yàn)

Keywords：pneumatic steering gear；guidance equipment；jitter experiment

0 引言

氣動舵機(jī)作為制導(dǎo)裝備的關(guān)鍵組成部分，保證和提升舵機(jī)的執(zhí)行精度是精準(zhǔn)打擊裝備的重要一環(huán)，控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令，舵機(jī)工作帶動舵面偏轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)將彈前部件提供的制導(dǎo)指令一起形成俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)控制指令，三個姿態(tài)信號指令經(jīng)過處理匯總后形成舵機(jī)驅(qū)動信號，傳遞給舵機(jī)回路，從而控制舵面偏轉(zhuǎn)。但在舵機(jī)整體檢測中經(jīng)常出現(xiàn)舵機(jī)整體的連續(xù)不穩(wěn)定抖動現(xiàn)象，一直沒有找到很好的解決辦法。本文對氣動舵機(jī)的工作原理進(jìn)行分析，提出射流管閥磁量可能是引起舵機(jī)抖動的原因之一，并根據(jù)現(xiàn)有手段對舵機(jī)進(jìn)行分步試驗(yàn)驗(yàn)證，得出射流管閥磁量對舵機(jī)抖動的影響因素。

1 射流管閥磁量對舵機(jī)抖動影響分析

1.1 舵機(jī)工作原理

舵機(jī)可以分為射流管閥和作動筒兩大部分，控制系統(tǒng)給射流管閥內(nèi)部線圈供電，線圈產(chǎn)生磁場，通過磁場力的作用控制銜鐵偏轉(zhuǎn)，銜鐵帶動射流管偏轉(zhuǎn)，使進(jìn)出作動筒A、B兩腔的氣體發(fā)生變化，產(chǎn)生壓力差。靜止情況下，控制系統(tǒng)不發(fā)出偏轉(zhuǎn)信號，射流管閥線圈不產(chǎn)生磁場力，銜鐵處在零位，射流管不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，兩腔進(jìn)出氣口保持平衡，fa1=fb1，fa2=fb2，形成兩腔壓力Pa=Pb，作動桿不運(yùn)動。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出向左偏轉(zhuǎn)信號時(shí)，射流管閥線圈產(chǎn)生磁場，在磁場力的作用下控制銜鐵并帶動射流管偏轉(zhuǎn)，造成進(jìn)出氣不平衡，兩腔壓力Pa>Pb時(shí)，作動桿向左偏轉(zhuǎn)；同理，當(dāng)兩腔壓力Pa

控制系統(tǒng)發(fā)出角度偏轉(zhuǎn)指令，發(fā)出電壓信號Vi，通過給線圈通電產(chǎn)生磁場力，控制銜鐵偏轉(zhuǎn)，銜鐵偏轉(zhuǎn)帶動射流管偏轉(zhuǎn)，射流管通過偏轉(zhuǎn)改變作動筒兩腔的進(jìn)出氣量，從而改變兩腔的空氣壓力，使作動筒內(nèi)的活塞桿左右偏轉(zhuǎn)。通過位移變化，電位計(jì)反饋電壓Vf增加，Vf的增加使放大器輸出V0減少，從而帶動射流管的偏轉(zhuǎn)角度減小，最終銜鐵穩(wěn)定在與控制信號Vi相對應(yīng)的位置，形成閉環(huán)回路。圖2所示為舵機(jī)工作原理框圖。

1.2 射流管閥工作原理

舵機(jī)偏轉(zhuǎn)主要靠射流管閥銜鐵偏轉(zhuǎn)使進(jìn)出氣不一樣從而形成壓力差。因此，控制系統(tǒng)第一作用力作用在射流管閥上，射流管閥內(nèi)各器件形成一個永磁式力矩馬達(dá)，由永久磁體、銜鐵、上下導(dǎo)磁體、控制線圈及支承軸承組成。舵機(jī)內(nèi)射流管閥中力矩馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。力矩馬達(dá)中銜鐵可以沿著支承軸承轉(zhuǎn)動，靜態(tài)情況下力矩馬達(dá)中1、2、3和4處的磁通面積相同，銜鐵處于零位。力矩馬達(dá)內(nèi)兩個永久磁鐵產(chǎn)生的磁動勢通過上下兩個導(dǎo)磁體及中間銜鐵構(gòu)成的橋式回路形成的永久磁場在氣隙處產(chǎn)生永久磁通，靜態(tài)情況下控制系統(tǒng)電流零輸入，形成的永久磁通在各個橋式空間內(nèi)產(chǎn)生的電磁吸力相同，使得處于零位的銜鐵保持靜止。通常將銜鐵處于零位的力矩稱為電磁彈簧力矩，理想狀態(tài)下彈簧力矩與銜鐵在橋式空間中偏轉(zhuǎn)的角度成正比。當(dāng)裝備控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號時(shí)，線圈產(chǎn)生一個可以使銜鐵移動的電磁力，當(dāng)處于零位的銜鐵移動時(shí)，使橋式空間形成的電磁彈簧力矩變大，當(dāng)偏轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)，控制系統(tǒng)形成的電磁力矩與新的電磁彈簧力矩處于平衡，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)控制銜鐵偏轉(zhuǎn)到一定角位置的功能。

1.3 磁量對舵機(jī)抖動影響分析

射流管閥內(nèi)部永久磁鐵在正常環(huán)境下，理論上磁量基本不變，但永久磁鐵可能受外界環(huán)境影響而導(dǎo)致磁量變化異常，如高溫、高濕、交變磁場、機(jī)械振動等都可能使永久磁鐵產(chǎn)生不同程度的磁性能變化。因此，推測射流管閥內(nèi)部永久磁鐵磁性能變化可能是導(dǎo)致舵機(jī)抖動的原因之一，下面對此做進(jìn)一步分析。

從式（1）可以看出，在輸入相同控制信號Vi的情況下，磁通量發(fā)生改變會引起力矩馬達(dá)轉(zhuǎn)角θ發(fā)生變化，導(dǎo)致出現(xiàn)壓力差（P1-P2）的輕微浮動，從而影響作動桿產(chǎn)生準(zhǔn)確的位移，在一定范圍內(nèi)由電位計(jì)反饋到控制電路的信號與控制電路形成的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)輸出信號，調(diào)節(jié)舵機(jī)作動桿位移的位置，與理想狀態(tài)的誤差極其微小。即當(dāng)磁量正常時(shí)，控制系統(tǒng)給出一定的偏轉(zhuǎn)角度電壓，舵機(jī)會準(zhǔn)確偏轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度。由于依靠反饋環(huán)節(jié)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，可以補(bǔ)償擾動對系統(tǒng)的不利影響，閉環(huán)控制雖能提高系統(tǒng)的控制精度，但使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。磁量超出允許范圍時(shí)，控制系統(tǒng)會給出一定偏轉(zhuǎn)電壓，偏轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度，由于永久磁鐵的磁量發(fā)生變化，使力矩馬達(dá)轉(zhuǎn)角θ發(fā)生偏差，當(dāng)反饋電位計(jì)反饋的電壓不符合自動駕駛儀給出的目標(biāo)值時(shí)，自動控制系統(tǒng)輸出調(diào)整后的電壓，但因力矩馬達(dá)磁量仍然不合格，導(dǎo)致在一定范圍內(nèi)控制電路頻繁輸出調(diào)整的電壓以調(diào)整偏轉(zhuǎn)角度，于是形成了舵機(jī)的振動現(xiàn)象。

2 舵機(jī)抖動試驗(yàn)

取兩個試驗(yàn)舵機(jī)（A舵機(jī)、B舵機(jī)）進(jìn)行試驗(yàn)，其中A舵機(jī)原有抖動明顯，B舵機(jī)無抖動，本試驗(yàn)采用的設(shè)備包括氣動舵機(jī)綜合測試設(shè)備、氣動舵機(jī)射流管閥綜合測試設(shè)備、氣動舵機(jī)充退磁系統(tǒng)設(shè)備。保存舵機(jī)綜合測試設(shè)備的波形曲線與射流管閥測試設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備工作原理

試驗(yàn)所用設(shè)備的指標(biāo)依據(jù)取自《自動控制原理及應(yīng)用》，同時(shí)參照其他型號裝備舵機(jī)的部分已明確指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定。

1）氣動舵機(jī)綜合測試設(shè)備工作原理

本試驗(yàn)設(shè)備通過工控機(jī)發(fā)出測試指令，將氣源控制臺開啟，提供作動筒驅(qū)動動力，通過信號調(diào)理箱的信號調(diào)理后再驅(qū)動舵機(jī)運(yùn)動，帶動負(fù)載裝置的扭桿轉(zhuǎn)動，扭桿變形產(chǎn)生的力用來模擬舵機(jī)工作時(shí)的負(fù)載。舵機(jī)內(nèi)部作動桿運(yùn)動狀態(tài)由反饋電位計(jì)進(jìn)行反饋，測控系統(tǒng)對反饋信號進(jìn)行采集處理，并由顯示器實(shí)時(shí)顯示舵機(jī)反饋信息曲線。系統(tǒng)組成原理框圖如圖4所示。

2）氣動舵機(jī)射流管閥綜合測試設(shè)備工作原理

本試驗(yàn)設(shè)備包括射流管閥部件測試臺架和測控系統(tǒng)。測試臺架完成壓力特性時(shí)氣路轉(zhuǎn)接、被測產(chǎn)品和相關(guān)傳感器的安裝固定，測控系統(tǒng)完成測試指令的生成及測試信號采集、處理、顯示、存儲等任務(wù)。氣動舵機(jī)射流管閥測試設(shè)備有兩大系統(tǒng)功能，分別為空載角位移特性測試功能和射流管閥壓力特性測試功能。舵機(jī)射流管閥綜合測試設(shè)備原理框圖如圖 5所示。

3）氣動舵機(jī)充退磁系統(tǒng)設(shè)備工作原理

本試驗(yàn)設(shè)備由充磁機(jī)構(gòu)、退磁機(jī)構(gòu)和測控系統(tǒng)組成。充磁機(jī)構(gòu)通過充磁機(jī)構(gòu)線圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁場完成舵機(jī)射流管閥部件的充磁，只需220V供電，手動壓下開關(guān)，即可完成對射流管閥部件的充磁。退磁機(jī)構(gòu)根據(jù)測控系統(tǒng)的指令，對已經(jīng)裝配好的射流管閥進(jìn)行角位移特性測試，退磁后再自動進(jìn)行角位移特性測試，重復(fù)上述過程直至角位移特性滿足指標(biāo)要求。氣動舵機(jī)退磁系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。

2.2 A舵機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

A舵機(jī)進(jìn)廠時(shí)抖動較明顯。首先，對舵機(jī)進(jìn)行綜合測試，記錄波形圖，每次測試都進(jìn)行三次，選取中間數(shù)值以防止人為誤差。然后，進(jìn)行射流管閥的磁測試數(shù)據(jù)記錄，磁量小于規(guī)定范圍。對射流管閥進(jìn)行充退磁試驗(yàn)，將射流管閥的磁量調(diào)節(jié)到規(guī)定范圍，再進(jìn)行舵機(jī)的整體測試。A舵機(jī)測試數(shù)據(jù)如表1所示。

射流管閥磁測試的磁量大小主要看靈敏度，靈敏度越大磁量越小，磁靈敏度規(guī)定范圍為0.056～0.060之間，從表1可以看出初始磁量低于正常范圍，抖動較明顯，當(dāng)調(diào)節(jié)磁量到規(guī)定范圍時(shí)，抖動明顯減弱，如圖7所示。

圖7的a）、b）分別是充退磁前后舵機(jī)綜合靜態(tài)特性曲線，經(jīng)放大抖動部分，充磁前抖動峰峰值約為0.6V，充磁后抖動峰峰值約為0.35V，且可明顯看出抖動頻率大大減弱，初步得出射流管閥的磁量對舵機(jī)抖動有影響。

2.3 B舵機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

對B舵機(jī)進(jìn)行舵機(jī)綜合測試，測試合格且無抖動。對B舵機(jī)進(jìn)行降磁處理，降到一定值后再進(jìn)行舵機(jī)綜合測試，觀察是否出現(xiàn)抖動情況，由此進(jìn)一步驗(yàn)證了射流管閥磁量對舵機(jī)抖動有影響。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖8的a）、b）分別是充退磁前后舵機(jī)的綜合靜態(tài)特性曲線，可以明顯看出磁量改變后出現(xiàn)抖動。

3 結(jié)束語

通過對某型裝備兩個舵機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，得出舵機(jī)的射流管閥磁量對舵機(jī)抖動有影響，舵機(jī)抖動可以從抖動幅值和抖動頻率兩方面考慮。在舵機(jī)修理過程中如遇到舵機(jī)抖動問題可先進(jìn)行充退磁試驗(yàn)，再做舵機(jī)綜合測試。另外，從靜態(tài)特性曲線可知，雖然通過調(diào)節(jié)射流管閥的磁量，使舵機(jī)抖動明顯減弱，但抖動問題并沒有消失，這說明還存在其他因素影響舵機(jī)抖動，下一步將針對其他因素進(jìn)行試驗(yàn)論證。

作者簡介

常碩，助理工程師，主要從事控制與導(dǎo)航專業(yè)裝備維修與保障工作。