第10节课舵机与舵回路总结.ppt

1、飞行控制系统，第10节(20160425) (feikong )，第4章舵机和舵回路，4.1舵机(致动器)构造和工作原理4.2舵机的特性分析4.3舵回路，舵回路(伺服系统)是飞行自动控制系统不可缺少的构成部分舵回路由多个部件组成的追加其舵机为致动器，其负荷(舵面上的铰链力矩)根据飞行状态而变化，该负荷对舵机和舵回路产生很大影响。4.1舵机(致动器)结构和工作原理，4.1舵机(致动器)结构和工作原理，舵机作用：舵机是舵回路中的致动器，按输出力矩(或力)和角速度(或线速度)驱动舵面偏转。 舵机类型：飞行控制系统中的舵机有3种：4.1.1电动舵机4.1.2液压舵机4.1.3电液复合舵机。 4.1.1

2、电动舵机的结构和工作原理，结构：电动舵机以电力为能源，一般包括：电动机(直流或交流的)测速装置位置传感器齿轮传动装置和安全保护装置。 电动舵机根据其控制方式分为：直接式和间接式直接式3360，改变电动机的电子电压或励磁电压来直接控制舵机输出轴的转速和操舵的间接式3360，在电动机定速旋转时，通过分离器的吸附，间接地控制舵机输出轴的转速和操舵。 图4-1是使用磁粉离合器间接地控制电动舵机的传动的示意图，4.1.1电动舵机的构造和工作原理，4.1.1电动舵机的构造和工作原理，工作原理：电动机定速旋转，电磁离合器的主动部分的壳体被固定在齿轮上，电流流向遵循电动机的输出轴的控制线圈磁粉被磁化产生磁力，

3、主动和从动之间产生与控制电流成比例的摩擦扭矩，使转子和齿轮一起旋转。 4.1.1电动舵机的结构和工作原理，工作原理：磁粉离合器前有两极减速：磁粉离合器后有三极减速：两个磁粉离合器大小相等，可提供方向相反的旋转。 金属摩擦离合器5使滚筒2旋转，输出与控制电流成比例的扭矩。 线性分解器和速度发生器经由齿轮旋转装置与滚筒一起旋转，分别输出与滚筒的旋转角和角速度成比例的电信号。 4.1.1电动舵机的结构和工作原理，工作原理：电磁离合器3是滚筒和输出齿轮的连接装置，控制是手动操作还是自动控制。 自动控制时，向离合器的励磁线圈通电，电磁离合器吸附，输出齿轮与滚筒连接，滚筒与输出齿轮一起旋转。手动操作时，电

4、磁离合器不通电，输出齿轮不与滚筒连接，驾驶员直接操作舵面。 4.1.1电动舵机的结构和工作原理，工作原理：金属摩擦分离器5是利用金属片间的摩擦传递扭矩的安全保护装置。 当电磁离合器动作时，齿轮通过金属摩擦离合器使滚筒旋转，当负载扭矩超过某一值时，金属片打滑，限制舵机的最大输出扭矩。 在紧急情况下，驾驶员还可以强制驾驶以确保飞行安全。 优点：能量是电力，通常是与飞行控制系统相同的电源，传输、控制等方便。 加工制造、组装维护方便。 缺点：输出相同功率时，有体积和重量大(与液压舵机相比)的减速齿轮。 速度慢。 输出功率不大，而且重量大，惯性大，高速性差。 4.1.1电动舵机的结构和工作原理、构成：液

5、压舵机以高压液体(油)为能源，其作用可分为液压舵机(直接舵面偏向推进)和电液副舵机(主要由液压主舵机，即液压助力推进舵面偏向)。 目前纯液压舵机使用不多，主要使用电液副舵机。主要由电液伺服阀(液力马达和液压放大器)、工作缸和位移传感器构成。 图4-3是典型的电液副舵机机构的原理示意图，4.1.2液压舵机的构造和工作原理，4.1.2液压舵机的构造和工作原理，工作原理：高压油流入吸入口，通过油过滤器14向4路流出。 其中，两个路径经由左右固定节流孔13、阀芯10的两侧和左右的喷嘴7，在溢流室8合流，经由返回节流孔12从返回口流出。 其他两个油液分别流向被套筒11上的阀芯工作台挡住的窗口。 如果阀芯

6、从中间位置脱离，则一方的高压油液通过阀芯工作台打开的窗流入工作筒的一个室，而工作筒的另一个室的油液通过打开的另一个窗直接流入门油孔。 4.1.2液压舵机的结构与工作原理、工作原理：力矩电机是将电量转换为机械角位移的信号转换装置。 当转矩电动机控制线圈的直流电流差()为零时，流过导磁体1和衔铁4之间的四个气隙的磁通量相等，在衔铁的两端流过上气隙和下气隙的磁通量的方向相反，衔铁的两端的电磁力平衡，衔铁和固定于其的挡板6位于中间挡板和左右两个喷嘴之间的距离相等，两个油液作用于阀芯两端面的压力大小相等，方向相反，阀芯位于中间位置。 阀芯的工作台面成为复盖阀盖的窗口，阻止高压油的流入，活塞杆16位于中间

7、位置，舵面不偏向。 4.1.2液压舵机的结构和工作原理，工作原理：当控制电流()不等于零时，产生控制磁通，改变4个气隙之间的磁通。 衔铁两端的上气隙中流动的磁通量增加，下气隙中流动的磁通量减少的衔铁的另一端与此相反。 于是，电枢两端的电磁力变得不平衡，产生电磁力矩，电枢使挡板旋转。 挡板与另一个喷嘴之间的距离变大，喷嘴室内的油压降低。挡板与另一个喷嘴之间的距离变小，喷嘴室内的油压变高。 由于压力差，阀芯向低压室方向移动。 4.1.2液压舵机的结构和工作原理、工作原理：作用于电枢的电磁力矩和弹簧管5因电枢的旋转变形而产生的力矩， 当阀芯移动为小球，使反馈杆9动作的力矩和高压油流过阀芯而产生的液压

8、力矩平衡时，阀芯两端的压力差和反馈杆相对于阀芯的反作用力也平衡，阀芯停止移动，移动距离与控制绕组电流的差成正比，移动方向4.1.2液压舵机的构造和工作原理、工作原理：阀芯移动打开阀盖被工作台肩复盖的窗，高压油通过窗流入工作筒的室，该室的压力上升，由于工作筒两室的压力差，活塞17和活塞杆16以一定速度向低压室方向移动液压筒另一腔的油液被推出，从阀盖的窗口流入门油孔。 线性位移传感器20将活塞杆的位移变换为电信号。 随着活塞杆的移动，线性位移传感器输出与活塞杆的交流电压成正比，其相位取决于活塞杆的移动方向。 4.1.2液压舵机的结构和工作原理，体积小、重量轻、功率增益大，输出功率与转动惯量之比大，

9、快速性好，控制功率小，灵敏度高。 缺点：加工、组装困难，生产成本高，需另外增加能源油源。 4.1.2液压舵机的结构和工作原理，组成：电液复合舵机由电液副舵机和液压主舵机组成。 兼具两种舵机的功能。 一般有手动驾驶、自动控制、复合作业和紧急操作四种作业状态。 4.1.3电液复合舵机的结构和工作原理，组成：电液复合舵机由电液副舵机、主舵机(即液压助力器)、电磁转化机构、锁定机构和复合摆臂等组成。 为了确保舵机的可靠性，用两套独立的油压源(系统和系统)加油。 电磁转换机构和锁定机构用于手动运转和自动控制的状态转换。4.1.3电液复合舵机的构造和工作原理、工作原理：电磁转换机构不通电时，喷嘴u和挡板(

10、电磁转换机构的衔铁)之间的间隙最大，喷嘴内腔v的压力降低，滑阀在弹簧作用下位于最右端，该挡板堵塞从油路t到电液副舵机的油路由于高压供油被切断，小动作筒活塞杆被锁定机构锁定，所以电液副舵机不动作，液压复合舵机处于手动运转动作状态。 4.1.3电液复合舵机的构造和工作原理、工作原理：驾驶员操作驾驶杆h使摆臂上的b点绕a点旋转，使滑阀一起运动，高压油通过环状槽c和打开的窗(或)流入大作筒的一个室(或)的大作筒的两个、4.1.3电液复合舵机的结构和工作原理、工作原理：驾驶杆移动到某个位置后，舵机壳体的支点a和排油杆h与壳体一起移动，因此，主阀柱不与壳体一起移动，其窗口再次关闭，舵机壳体也不动。 在人工

11、运转时，舵机的壳体始终跟随着运转杆的移动成比例地移动。 4.1.3电液复合舵机的结构和工作原理，工作原理：电磁切换机构通电时，切换机构的衔铁向左移动，堵塞喷嘴u，喷嘴内腔v的油压上升，阀芯向左移动。 于是，从系统的吸入口到油路t的电液副舵机的通路和到油路g、l及环状槽j的通路打开。 锁定机构在高压油液的作用下向上移动，小动作筒的活塞在控制信号的作用下移动。 小工作筒活塞杆上的a点经由摆臂使主滑阀移动，使舵机的壳体相应地成比例地运动，成为人工运转。 4.1.3电液复合舵机的结构与工作原理，工作原理：驾驶员参与自动控制操纵后，电液复合舵机处于复合工作状态。 驾驶杆的操纵运动和小动作筒活塞的运动通过

12、摆臂与主阀柱复合，共同操纵舵机的运动。 工作筒的副滑阀不像固定的套筒那样动作。 但是，一旦主阀柱卡死或发生其他紧急事态，副阀柱将接管主阀柱的动作，使驾驶员能够进行紧急操作。 4.1.3电液复合舵机的结构与工作原理，4.2舵机的特性分析，4.2.1舵面的负荷(铰链扭矩)特性舵机在推进舵面运动时，除克服运动部分的惯性扭矩和摩擦扭矩外，还克服舵面铰链扭矩。 铰链力矩是由于空气动力作用于舵面而产生的向舵面铰链轴的力矩。4.2.1舵面的负荷(铰链力矩)特性，铰链力矩与舵面的几何形状、类型、飞行或舵偏角有关，其中以舵偏角为主。 铰链转矩公式是表示由单位舵的偏角产生的铰链转矩的公式即铰链转矩导数。是舵面的参

13、考面积即舵的平均几何弦长即舵偏角。 显然，铰链力矩的大小、符号根据飞行状态而变化，的大小、符号根据飞行状态而变化时的大小：动压q越大，铰链力矩也越大。 的符号：取决于舵面旋转轴相对于舵面空气力()压力中心的位置。 如果、的大小、符号根据飞行状态而变化，则旋转轴位于压力中心的前面，超声波速度达到吨。 米级为了减小铰链扭矩，将舵面旋转轴的位置设置在压力中心的变化范围的中间。 这样，在相同的舵面偏转角下，如果随着马赫数Ma的增加，压力中心从前向后移动，旋转轴位于压力中心后的逆操作铰链力矩的大小和方向根据飞机的状态而变化，则对舵机的动作产生较大影响。 如图所示，舵机的动态特性、(1)电动舵机的动态特性

14、电动舵机中的电动机的机械特性(转矩和转速)是一族的非线性曲线。横轴为电动机角速度、4.2.2舵机的动态特性、(1)电动舵机的动态特性电动舵机中磁粉离合器的机械特性如图所示：一族非线性曲线。 横轴是磁粉离合器的角速度，4.2.2舵机的动特性，(1)电动舵机的动特性舵机的动作是非对称的。 原因有两个。 飞机稳定飞行时，舵面不是中间位置，而是有舵偏置，所以一开始初始值就作用于舵机。 舵机工作中，负载扭矩不对称。 例如舵机在增大舵面偏角时(转舵时)的铰链力矩起到阻止变大的作用，另一方面，在转舵时，也起到加速舵面的回收的作用。 4.2.2由于舵机的动态特性，电动舵的动态特性的记述和分析变得困难。 在工程

15、实践中多采用线性化的方法研究某平衡状态附近的增量运动。 使非线性机械特性曲线近似于斜率b的线性机械特性曲线。 b的物理含义是当输入电压为常数时输出转矩m相对于角速度的偏导函数。 电机和磁粉离合器的转矩特性相同，不会疲劳。 (2)电动舵机原理图、磁粉离合器间控制电动舵机原理框图、(3)电动舵机微分方程式、图中，电磁离合器控制绕组的输入电压为u、电流为I、电感为l、电阻为r； 在该电系统微分方程式中，将电磁离合器的输出转矩设为m，将该微分方程式设为：电动舵机微分方程式，将舵面传动机构的传动比设为I。 电磁分离器、齿轮旋转装置、舵面及其传递机构和电动机转子换算成滚筒(包括滚筒)的总旋转惯性量为j，滚

16、筒的角速度和旋转角分别为和的舵偏角无视摩擦转矩，其微分方程式为、式中， 将惯性转矩衰减转矩换算成滚筒上的铰链转矩的舵面角滚筒角表示增量，舵面旋转的方向与滚筒轮转的方向相反，若对上式进行拉斯变换，则得到电动舵机的框图：)舵面负荷为零时，空载时的电动舵机输入电压的滚筒输出旋转(5)电动舵机的传递函数，(2)舵面负荷不为零时，可省略，(6)电动舵机的特性分析，空载时：舵机特性为2个积分链路和1个惯性链路串联负荷时：舵机特性因为1个2次无阻尼振动链路和1个惯性链路串联无关而可记述的值小由于舵机的传递函数都包含在内，铰链扭矩会影响舵的动态特性。简化框图是、b不为零时的电动机负荷传递函数，(7)铰链扭矩对舵的动态特性的影响，在舵机上形成反馈构成小回路时是正反馈，舵机传递函数中包含不稳定的二次环节，舵机的动作不稳定。 有时是负反馈，舵机工作稳定。 舵机特性随飞行状态而变化，其稳态输出角也随飞行值而变化，使舵机工作为非对称性工作。 4.3舵回路，4.3.1舵回路的构成：由舵机和反馈通路构成的闭回路。 舵回路构成原因的铰链转矩的存在相当于在舵机内部导入反馈。 为了消除对舵机工作的影响，可以人为地引入别的反馈构成舵回路，抵消铰链扭矩的影