影響航模舵機性能的因素分析

潘延敏+李燕

摘 要：由于舵機具有位置自鎖、位置跟蹤等功能，而且可操作性、穩(wěn)定性、與數(shù)字系統(tǒng)的連接性較理想，雖然體積相對較小但輸出力矩較大，所以現(xiàn)階段在模型飛機等機電產(chǎn)品中得到較廣泛的應用，為保證航模舵機的性能滿足飛機飛行安全性和準確性的要求，本文針對影響航模舵機性能的因素展開研究，為航模舵機設計、生產(chǎn)、維護保養(yǎng)等方面工作提供參考。

關鍵詞：航模舵機；性能；影響因素

前言：舵機屬于閉環(huán)反饋伺服系統(tǒng)，在對角度調(diào)整靈活度要求高切爾需要持續(xù)驅動的系統(tǒng)中具有重要的作用，航模舵機的動作質(zhì)量直接決定了飛機的飛行姿態(tài)，所以是航模的重要構成，但由于其結構較復雜，在運行時需要各部件間的精密配合，影響因素多且交叉影響，所以要保證航模舵機發(fā)揮預期的性能，存在較大的困難。

一、航模舵機的運行原理分析

控制電路板、空心杯電機、減速齒輪組、舵盤、位置檢測器等均是航模舵機的重要構成，其中具有接收、發(fā)送信號功能，調(diào)節(jié)航模舵機狀態(tài)的控制電路板是核心；而內(nèi)含永磁體的細銅線構成的無鐵芯中空轉子，是空心杯電機的主要形式，其空間占用和整體質(zhì)量相比傳統(tǒng)鐵芯縮減30%甚至50%[1]。在航模舵機中應用的齒輪如果為金屬齒輪，對負載的承受能力會相比塑膠齒輪更大；在輸出軸位置的舵盤可以有效連接模型飛機和航模舵機，并進行動力的有效傳輸，保證航模舵機性能的實現(xiàn)[2]。在航模舵機運行的過程中，接收信道會將接收天線所獲取的PWM控制信號傳入信號解碼電路，形成直流偏置電壓，將其與位置反饋電位器向控制電路反饋的電壓進行對比，然后利用電機驅動電路將獲取的電壓作為空心杯電機運行的動力，空心杯電機直至電壓全部消耗完畢后停止運行，可見舵盤位置的實際效果，與獲得的直流偏置電壓大小之間具有密切的關系。

二、航模舵機的性能分析

航模舵機的性能主要通過具體的角度、扭力、速度、噪聲、重量等參數(shù)體現(xiàn)，所以在確定航模舵機性能的過程中，需要對以上各參數(shù)進行測試，保證各方面的測試結果滿足性能發(fā)揮的要求[3]。例如在角度測試的過程中，考慮到其控制信號應用的是PWA信號，其周期、寬度分別為20ms和2ms，與舵盤0至180度的位置對應，在舵機輸出軸轉角分別為0度、45度、90度、135度、180度的情況下，其對應的輸入信號的脈沖寬度分別為0.5ms、1ms、1.5ms、2.0ms、2.5ms，所以在脈沖寬度一定的情況下，保保證測試獲取的角度也為固定值。在進行扭力測試的過程中，主要是在夾具穩(wěn)定、未崩牙時，直接對其承受扭力的上限進行測試的過程；而在噪聲測試的過程中，主要在噪聲不高于35dBA的情況下，對噪音計間距為0.1米的航模舵機噪音進行測試，并針對其峰值進行分析[4]。在速度測試的過程中，需要將速度測試儀與航模舵機連接并置于暗箱之中，通過具有指針的舵盤實現(xiàn)，在此過程中主要以所獲取的最大值作為速度測試的最終結果。所以要對航模舵機性能影響因素進行分析，只要判斷哪些因素會對航模舵機的相關參數(shù)具體值產(chǎn)生影響即可。

三、航模舵機性能的影響因素

要充分發(fā)揮航模舵機的性能，首先保保證航模舵機的各組成部分性能滿足要求，然后保證各結構之間的匹配程度滿足要求，所以筆者認為影響航模舵機性能的因素主要包括以下方面：

（一）航模舵機各組成結構的性能

1、控制電路板

額定負載下，控制回路的穩(wěn)態(tài)誤差要控制在5%以下，但人們通過在相同條件下對不同種類航模舵機進行不同型號電路板力矩測試發(fā)現(xiàn)，使用不同控制電路板的航模舵機的力矩并不一致，通常情況下，使用性能相比更優(yōu)越的控制電路板的航模舵機的力矩也較大，這說明，控制電路板的性能會直接影響航模舵機的力矩[5]。另外，人們發(fā)現(xiàn)，控制電路板所具有的不同電阻值對角度也會產(chǎn)生一定的影響，例如在使用某電路板的情況下，其1.5千歐和260千歐的阻力對0.8毫米的電阻脈寬分別產(chǎn)生10度和23度的角度，對1.0毫米的電阻脈寬分別產(chǎn)生35度和42度的角度，對1.5毫米的電阻脈寬分別產(chǎn)生91度和90度的角度等?？梢娍刂齐娐钒遄陨淼男阅軙苯佑绊懞侥６鏅C的性能，在選擇的過程中要重點把握。

2.空心杯電機、減速齒輪組、舵盤、位置檢測器

由于上述結構均屬于航模舵機的牙箱結構，所以筆者將其綜合論述。首先，空心杯電機，其是直流、永磁、伺服微特電機，在節(jié)能性、控制的可操作性、運行的穩(wěn)定性等方面均具有較理想的特征，在能量轉換方面效率較高，因為其在運行的過程中鐵芯渦流會在產(chǎn)生電能消耗的同時，降低轉動慣量和重量所消耗的機械能，將其應用于航模舵機可以使其重量、體積、能耗等有效的縮減，但在實踐中可以發(fā)現(xiàn)，在空心杯電機運行的過程中會產(chǎn)生影響電路板輸出端電壓值的穩(wěn)定性，而且這種影響會隨著空心杯質(zhì)量的下降而加大，使航模舵機的速度、噪聲、扭力等均發(fā)生改變，所以要保證航模舵機的性能，在認識到空心杯電機的優(yōu)勢的同時，應盡可能提升其質(zhì)量[6]。其次，位置檢測器，其涵蓋多個磁致伸縮傳播媒體，是用于生成振蕩波和檢測感應電壓的兩種線圈，可以在測定時間的基礎上測出指示位置，可見位置探測器的性能對航模舵機位置移動的角度會產(chǎn)生直接的影響，而位置檢測器空載扭轉力矩對航模舵機的移動靈敏度也會產(chǎn)生影響，在位置檢測器不能對航模舵機所在位置進行感應的情況下，飛機的實際飛行狀態(tài)和飛行方向將受到嚴重影響，所以人們甚至直接將位置檢測器的性能作為衡量航模舵機使用壽命的重要標準。再次，減速齒輪組，一組或多組相互連接咬合，但在轉動的過程中互不干涉的進行轉速改變運動狀態(tài)中所應用的齒輪組即減速齒輪組，其一方面可以使電動機原有的轉速下降至需要的轉速，另一方面可以對扭矩進行合理的放大，使其滿足航模舵機運行的實際需要，可見減速齒輪組的運動性能會直接影響航模舵機的扭力值和傳出的實際速度，而且減速齒輪組的結構精度、設計等會影響航模舵機的使用壽命，所以要提升航模舵機的整體性能，應對以上結構的性能進行合理的把握。

（二）航模舵機各組成結構的安裝匹配程度

在進行航模舵機裝配的過程中，首先應使電機齒輪在電機軸位置固定，但兩者之間要保留一定的空隙；其次將電機、電位器、電路板固定于中殼，電路板與電位器、電機進行小孔對應插入式固定并焊接；然后將齒輪按順序固定、均勻涂抹齒輪油，此時要保證齒輪間的咬合質(zhì)量；最后，上殼和中殼位置固定并壓緊，與底盒組合并用螺釘固定，可見，安裝匹配過程相對較簡單[7]。但在實踐中人們發(fā)現(xiàn)，如果航模舵機所使用的空心杯電機、減速齒輪組、舵盤、位置檢測器為同一廠家同一批號生產(chǎn)，對航模舵機性能的影響相對較穩(wěn)定，而如果航模舵機所使用的空心杯電機、減速齒輪組、舵盤、位置檢測器為不同廠家生產(chǎn)或同一廠家不同批號生產(chǎn)，對航模舵機性能的影響將十分顯著，這在一定程度上說明航模舵機各組成結構的安裝匹配程度對航模舵機性能也會產(chǎn)生影響。例如，筆者在控制電路板相同情況下，在選擇同一廠家同一型號的三種空心杯電機、減速齒輪組、舵盤、位置檢測器時，會發(fā)現(xiàn)不同情況下航模舵機噪音的變化幅度為3.7dBA、5伏情況下扭力的變化幅度是0.01N·m，速度的變化幅度是0.008度/秒，0.8ms、1ms、1.5ms、2.0ms、2.2ms電阻脈寬情況下，角度的變化幅度分別為5度、2度、3度、2度、5度；而筆者在選擇同一廠家不同型號的三種空心杯電機、減速齒輪組、舵盤、位置檢測器時，會發(fā)現(xiàn)不同情況下航模舵機噪音的變化幅度為5.6dBA、5伏情況下扭力的變化幅度是3.2N·m，速度的變化幅度是1.53度/秒，0.8ms、1ms、1.ms、2.0ms、2.2ms電阻脈寬情況下，角度的變化幅度分別為11度、12度、13度、12度、15度，所獲數(shù)據(jù)可說明了航模舵機各組成結構的安裝匹配程度會影響航模舵機的性能。另外，裝配過程中具體的手段也會隨航模舵機的性能產(chǎn)生影響，例如在裝配的過程中，所使用的減速齒輪組的各齒輪咬合程度不理想，在應用的過程中不僅會產(chǎn)生較大的摩擦噪音，而且會使打齒等問題的發(fā)生概率明顯提升；航模舵機底蓋位置安裝不合理，將直接影響航模舵機的使用壽命等。這要求在航模舵機進行安裝的過程中，對安裝的結果進行全面評價和綜合測試，以免因安裝結構的匹配程度不理想，導致航模舵機性能下降，造成嚴重的經(jīng)濟損失和飛行事故。

另外，人們發(fā)現(xiàn)舵機6伏相比5伏雖然電壓更大，轉速更高，但扭力卻相對更小，這是因為航模脫機中電池的電壓是電路電流、電阻乘積與轉動消耗電壓的和，而舵機所構成的電路回路并不是純電阻電路，導致扭力小于電流，轉速小于電壓。所以在配置的過程中需要結合具體的設備構成選擇適合的電源電池。

除上述因素外，在進行舵機和連桿調(diào)整的過程中，如果單純的認為連桿和舵機相連，并用遙控器后期調(diào)整，保證舵面上下能“?！痹陬A期的位置即可，這不僅會使飛機的操作性能受到嚴重影響，也會使航模舵機的控制精確性受到嚴重的沖擊，所以在進行舵機和連桿聯(lián)機調(diào)整過程也要受到關注。筆者認為在連接、調(diào)整的過程中，應盡可能的對航模舵機的控制精度進行利用，例如PCM1024設備的精度即90度與1024的比值，為0.09度。在舵機使用的過程中，會產(chǎn)生一定的阻力，導致航模舵機的實際控制精度相比預期明顯縮減，要提升航模舵機的精度需要讓舵機滿程運行，縮減舵機的負荷。其次應結合實際情況對舵機中立位置進行調(diào)整，而非必須將其設置在舵面0的位置。例如直升機在運行的過程中，自身的重量要依靠旋翼生成的升力抵消，此時如果強制性的將舵機中立位置設置在舵面0的位置，反而影響其實際運行的精度。

四、航模舵機性能影響因素的利用

在明確航模舵機的影響因素的情況下，可以提升對航模舵機的常見故障的診斷效率和準確性，而其提升對航模舵機運行狀態(tài)監(jiān)測的實際效果。例如，在炸機后，航模舵機的電機仍瘋狂的旋轉、舵盤搖臂失去控制而且出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，則可以直接盤點其齒輪出現(xiàn)了問題；在炸機后、航模舵機的靈活性受到嚴重影響，局部位置過熱，但仍可以按照控制命令進行運動狀態(tài)的調(diào)整，知識舵量的速度和程度嚴重下降的情況下，可以判斷航模舵機的電機是否發(fā)生過流問題，如果測試中發(fā)現(xiàn)電機的空載電流已經(jīng)超過150MA或完好電機空載電流在90MA之下，60MA之上，需要對航模舵機的電機進行更換。在炸機后如果航模舵機所有反映小時，則可以判斷其航模舵機的電子回路、電機或電路板驅動發(fā)生問題，此時需要對插頭、電機和舵機的引線進行檢查，判斷其是否出現(xiàn)斷路；在航模舵機的搖臂只有一邊運作的情況下，則需要對其驅動三極管的運行狀況進行判斷即可?？梢妼侥６鏅C性能的影響因素進行分析，不僅可以為提升航模舵機各結構的性能提供方向，而且可以使航模舵機的維修養(yǎng)護等方面更加具有效率和準確性。

結論：通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段人們已經(jīng)認識到航模舵機性能對飛機飛行安全性和質(zhì)量的重要性以及航模舵機性能會受到多種因素的影響，并在實踐中有意識的結合航模舵機的運行原理，對航模舵機的零件性能進行優(yōu)化設計、提升裝配工藝質(zhì)量，這為現(xiàn)代航模舵機整體性能不斷提升創(chuàng)造了條件。

參考文獻

[1]張明月，楊洪波，章家保，丁同超，賈宏光. 改進自抗擾控制諧波式電動舵機伺服系統(tǒng)[J]. 光學精密工程，2014，01：99-108.

[2]張明月. 含間隙滾珠絲杠式電動舵機動態(tài)特性分析[J]. 計算機仿真，2016，01：63-67+126.

[3]王健，劉旌揚，魏成柱，李英輝，易宏. 新概念穿梭艇自航模操控系統(tǒng)試驗研究[J]. 中國艦船研究，2016，01：95-101.

[4]陳貽國，錢金芳，潘日敏. 一種基于STM32的航模直升機飛控系統(tǒng)設計[J]. 電子器件，2012，01：47-51.

[5]李朋，周軍，高智剛. 舵機轉角精確測量系統(tǒng)的設計[J]. 測控技術，2012，06：18-21.

[6]吳娟，張家盛，康光會. 舵機系統(tǒng)動剛度的分析研究[J]. 科學技術與工程，2008，04：1124-1128.

[7]鄧攀，李彬，毛立峰. 船舶舵機推舵系統(tǒng)頻率特性分析與研究[J]. 船舶與海洋工程，2015，03：28-32+56.