低溫環(huán)境對直接驅(qū)動閥式作動器的影響研究

黃勇強(qiáng)，楊振聲，韓占鵬，相 梅

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

目前的電傳飛控系統(tǒng)飛機(jī)，多采用直接驅(qū)動閥（DDV）式作動器，DDV采用直線位移力馬達(dá)驅(qū)動閥芯。國外在上世紀(jì)80年代開始開發(fā)DDV，由于較伺服閥式作動器具有抗油液污染能力強(qiáng)、功耗低、重量和體積小等優(yōu)點(diǎn)，被迅速應(yīng)用于各種飛機(jī)的作動系統(tǒng)中。國內(nèi)起步較晚，但經(jīng)過近十年的發(fā)展，國內(nèi)技術(shù)已成熟，并已經(jīng)在三代甚至四代機(jī)上鋪開使用。

作動器作為飛控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，屬于系統(tǒng)關(guān)鍵部件，對飛行安全起到關(guān)鍵性作用，為滿足安全性和可靠性要求，國內(nèi)各型飛機(jī)上采用的DDV作動器一般為4余度配置結(jié)構(gòu)。在工作過程中，余度管理系統(tǒng)對作動器的每個余度單元進(jìn)行監(jiān)控，同時在飛行前，通過飛行前自檢來檢查作動器的完好性。在低溫環(huán)境下工作，由于油液粘稠度的增加，導(dǎo)致DDV閥芯受到的摩擦力增加，同時低溫對力馬達(dá)線圈、傳感器線圈以及伺服控制器元器件的影響，導(dǎo)致PBIT（飛行前自檢）時常申報(bào)故障。

本文論述了DDV式作動器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，分析低溫對作動器的影響，并進(jìn)行了建模仿真。

1 DDV作動器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 DDV結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 DDV結(jié)構(gòu)原理圖

如圖1所示，直接驅(qū)動閥主要由三部分組成：直線力馬達(dá)、液壓閥及放大器組件，其核心的組件是直線力馬達(dá)。

在沒有電流信號施加到控制線圈上時，永久磁鋼和對中彈簧使銜鐵保持在零位的平衡狀態(tài)，當(dāng)有一個電信號指令輸入到閥芯的位置控制器集成塊上時,電子線路會在直線力馬達(dá)上產(chǎn)生一個脈寬調(diào)制(PWM)電流，振蕩器會使閥芯位置傳感器(LVDT)勵磁，經(jīng)解調(diào)后的閥芯位置信號和指令位置信號進(jìn)行比較，閥芯位置控制器會產(chǎn)生一個電流信號給直線力馬達(dá)，從而驅(qū)動閥芯到指令位置，閥芯位置與電指令信號成正比，在閥芯運(yùn)動過程中，必須克服彈簧產(chǎn)生的對中力和一些外力(如不平衡液動力、油液污染產(chǎn)生的摩擦力)，在返回到中立位置時，彈簧力和直線力馬達(dá)提供給滑閥閥芯驅(qū)動力，使伺服閥減少了對污染的敏感度，在彈簧對中位置，直線力馬達(dá)僅需很低的電流。

1.2 DDV式作動器結(jié)構(gòu)及工作原理

圖2 DDV式作動器結(jié)構(gòu)原理圖

圖2中，DDV式作動器為機(jī)械液壓2余度、電氣4余度配置，由電氣4余度DDV力馬達(dá)驅(qū)動線圈、DDV位移傳感器、作動筒位移傳感器組成。

當(dāng)雙系統(tǒng)供油正常時，兩個電磁切斷閥（SOV1、SOV2）上電驅(qū)動轉(zhuǎn)換閥（BPV1、BPV2）處于正常工作模態(tài)，DDV接收電流控制指令，驅(qū)動DDV閥芯分配負(fù)載流量驅(qū)動作動筒運(yùn)動，DDV閥芯和作動筒內(nèi)部分別裝配有電氣4余度線位移傳感器（LVDT），將閥芯位移與作動筒位置以電信號形式反饋給飛控計(jì)算機(jī)，分別構(gòu)成內(nèi)外回路閉環(huán)。當(dāng)其中一個系統(tǒng)故障時，BPV1旁通作動筒中相應(yīng)故障系統(tǒng)的兩腔，使得作動器的輸出鉸鏈力矩減半。當(dāng)兩個系統(tǒng)均發(fā)生故障時，切斷兩個電磁閥供電，作動器通過BPV2上的節(jié)流孔實(shí)現(xiàn)故障松浮功能。

2 DDV式作動器伺服控制原理

作動器伺服控制回路由伺服控制器和作動器組成，伺服控制回路的原理如圖3所示（圖示為單通道，4通道相同），描述如下：

伺服控制器的DSP處理器采集對應(yīng)通道的DDV位置信號和作動筒位置信號，與前向來自飛控計(jì)算機(jī)主CPU的伺服控制指令進(jìn)行綜合解算，輸出作動器DDV力馬達(dá)的控制指令，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和電流控制器環(huán)節(jié)，形成對應(yīng)通道DDV力馬達(dá)電氣線圈的控制電流，控制DDV閥的運(yùn)動，閥芯運(yùn)動控制液壓油活門的方向和開口大小，從而使作動筒到達(dá)指令要求的位置。

圖3伺服控制原理框圖

3 低溫環(huán)境對直接驅(qū)動閥式作動器的影響研究

3.1 低溫環(huán)境下作動器自檢測測試結(jié)果

選取兩臺某型號DDV式作動器，在低溫環(huán)境（＜-10℃）下放置足夠長時間（＞24h），分別在三個時間進(jìn)行六次自檢測測試，測試結(jié)果見表1。

由表1中測試結(jié)果可知，低溫環(huán)境下自檢測測試集中申報(bào)DDV零位電流。

3.2 DDV電流產(chǎn)生原理

如圖4所示，伺服放大器接收控制指令、作動器位置及閥電流反饋信號，根據(jù)伺服控制回路算法，產(chǎn)生功率電流驅(qū)動力馬達(dá)運(yùn)動，從而帶動滑閥運(yùn)動，分配流量推動作動筒運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)作動器的伸縮。

理想情況下，中立位置時DDV零位電流及位置反饋值均為“0”。

表1測試結(jié)果

圖4伺服回路簡圖

3.3 影響DDV零位電流因素

在作動系統(tǒng)中，影響DDV零位電流的因素主要有閥摩擦力、作動筒和閥位置傳感器4個通道間的一致性。

3.3.1 閥摩擦力

圖5中，低溫環(huán)境下，由于器件的熱脹冷縮，閥芯間隙減小，同時液壓油粘度增大，導(dǎo)致閥芯受到的摩擦力增加，此時為保證閥芯處于零位，力馬達(dá)需要更多的電流以產(chǎn)生驅(qū)動力來克服閥芯摩擦力。

圖5閥芯間隙和傳感器通道間一致性分析圖

3.3.2 通道一致性

4余度線位移傳感器由4個獨(dú)立的電氣和機(jī)械余度組成，每個余度由繞組線圈和鐵芯組成，繞組線圈為銅線，鐵芯為不銹鋼，兩者隨溫度變化的伸長或縮回程度不一致，加上低溫對傳感器電阻的影響，導(dǎo)致4余度線位移傳感器的電氣輸出值出現(xiàn)差異，當(dāng)位置傳感器反饋電氣信號經(jīng)高增益伺服放大器放大后，使四個通道間的線圈電流紛爭增大，從而影響閥的電流。

3.4 仿真分析

AMESim仿真平臺是一個多學(xué)科物理建模平臺，該軟件使用圖形化的建模開發(fā)環(huán)境，為流體、機(jī)械、控制、電氣、磁等工程提供了完善的聯(lián)合仿真解決方案。本文針對直接驅(qū)動閥式作動器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立AMEsim+Matlab聯(lián)合仿真的作動器伺服回路模型，如圖6、圖7所示。

圖6 AMEsim伺服回路模型

3.4.1 閥芯摩擦力仿真分析

模擬低溫環(huán)境下 （-15℃）閥芯運(yùn)動受到的摩擦力，給定10N，給作動器模型輸入2Vpp方波指令，仿真結(jié)果閥零偏電流0.18V，如圖8所示。

圖8低溫導(dǎo)致摩擦力引起的閥電流變化曲線

3.4.2 通道一致性仿真分析

1)閥位置傳感器通道一致性仿真

模擬低溫環(huán)境下閥位置傳感器通道間的紛爭，設(shè)定最大為3.8%F*S，按此指標(biāo)設(shè)置通道間2：2紛爭，給作動器2Vpp方波指令，仿真結(jié)果閥零偏電流0.12V，如圖9所示。

圖7 Matlab伺服回路模型

圖9閥位置不一致閥電流曲線

2)作動筒位置傳感器通道一致性仿真

模擬低溫環(huán)境下作動筒位置傳感器通道間的紛爭。設(shè)定最大為1.2%F*S，按此指標(biāo)設(shè)置通道間2：2紛爭，給作動器2Vpp方波指令，仿真結(jié)果閥零偏電流0.43V，如圖10所示。

圖10作動筒位置不一致閥電流曲線

3)綜合影響仿真

綜合以上各種情況，給作動器2Vpp方波指令，仿真結(jié)果閥零偏電流0.77V，如圖11所示。

4 結(jié)論

本文論述了直接驅(qū)動閥式作動器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，分析了低溫對作動器的影響因素，并建立了作動器的AMEsim+Matlab聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果表明，低溫環(huán)境會影響直接驅(qū)動閥式作動器的閥零位電流，導(dǎo)致作動器的工作性能下降。

圖11綜合因素導(dǎo)致的閥電流曲線