一种电动舵机设计中直流电机选用方法

李 建

(兰州飞行控制有限责任公司，甘肃 兰州 730070)

0 引 言

直流电动机在现代机电伺服控制系统中以及航空、航天领域中都有着广泛的重要应用。直流电机作为伺服执行机构核心部件，其选择的合理与否直接影响着伺服执行机构性能的优劣以及控制系统的品质。航空机载设备电动舵机(伺服作动器)是以直流电动机作为动力源，在电动舵机设计时，经常会面对一些重要的技术指标要求而对直流电动机进行选择。由于电机的机械特性对电动舵机技术指标有着关键性的影响，因此伺服电机的选择就变得尤为重要。通过实际工作，提出了一种与传统不同的选择直流电机的新方法，不仅能保证电动舵机性能满足飞机伺服系统所要求的性能指标的，而且使电机的选择更加优化、可靠，科学合理，安全节能。因此选择直流电机的方法也可用于其他需要选择直流电机作为动力源的伺服传动机械系统中。

1 电动舵机性能要求

1.1 电动舵机

电动舵机是自动飞行控制系统中不可缺少的执行机构，是舵回路伺服系统的控制对象和重要组成部分。它与舵机控制器形成舵回路，接收飞控计算机给定的控制信号，以一定的速度(线速度或角速度)输出力矩(或扭矩)，最终驱动飞机舵面(或调整片)偏转，实现飞机舵面角运动以及航迹运动的自动稳定与控制。飞行控制系统中的舵机有三大类：电动舵机、液压舵机、电液复合舵机以及气动舵机等。其中，电动舵机的能源是电力，通常与飞控系统用同一能源，传输控制方便，加工制造、装配维修方便、易实现电气余度控制以及易实现电传飞控系统等，因其优越性得到了越来越广泛的应用。一般电动舵机主要由直流电动机，测速装置，位置传感器，减速机构，传动装置，力矩限制器和限位保安装置组成。直流电机是电动舵机的动力源，相当于人体的心脏，因此电机选择的好坏直接影响到舵机的机电性能和舵机的控制性能，从而影响着飞机飞行的品质。

1.2 电动舵机的性能要求

进行电动舵机设计时，飞控系统对电动舵机的性能有多项要求，主要包括电气性能要求和机械性能要求等。在电动舵机的设计中，对于电机选型本文只针对与电机选型相关的技术指标要求，根据其主要技术指标要求进行电机选用。一般情况下，电动舵机主要性能指标要求有供电电源、最大输出力、额定负载力、额定速度、额定消耗电流、空载最大速度、回零精度、瞬态电流、灵敏度及频带等。另外，由于飞机类型、作用、机动性的各不相同以及系统方案等原因，使得飞控系统对使用的电动舵机相应的有着各自的一些特点，因此，在工程实际中必须具体情况具体分析，这就要求设计者对需要的舵机的运动规律和工作状况分析清楚。

2 一般选择电机的方法与不足

在进行电动舵机设计时，根据技术指标要求进行电机的选择，一般选择电机的方法通常是首先进行功率估算，如果要求电动机在峰值转矩下以最高转速不断的驱动负载，则电动机的功率可按下式估算：

式中：PM——电动机功率 ；

TLP——额定转矩；

ωLP——额定转矩角速度；

η——传动效率。

式中，1.5～2.5系数为经验数据，考虑到初步估算时负载转矩可能有遗漏，且考虑电机转子和传动装置的功率损耗。

然后对电动机的转速进行选择。电动机和减速器是相互制约的，选择电机转速时和减速比一起考虑，使两者合理。电机转速和伺服机构转速的关系为

nm=in

式中：nm——电动机转速；

i——减速比；

n——减速器输出转速(或角位移舵机输出转速)。

选择电动机的最大输出力矩Mmax。当减速器的减速比和效率确定后，根据电动舵机给定的额定输出力矩确定电机的额定输出力矩，电动机的最大输出力矩Mmax应大于负载的峰值力矩。其力矩关系为

Mmn=Mn/iη，Mmax>Mmn

式中：Mmn——电动机力矩；

η——减速器效率。

另外，在一定的设计经验的前提下有时根据设计经验将按负载力的20%进行余量考虑。

由传统的选择电机的方法可见，单纯从动力负载所需的功率出发考虑，只考虑电机的动力问题是不够的或者是不确切的。物理意义上的功率包含扭矩和速度两部分，但在实际的传动机构中它们是受限制的，只用峰值功率作为选择电机的原则是不充分的，对空载及额定速度的设计是不准确的。如果电动机额定功率选择的过小，就会出现“小马拉大车”的现象，势必使电动机过载，也就必然使电动机的电流超过额定值而使电动机过热，电动机内绝缘材料的寿命也会缩短，甚至可能会烧毁电动机；如果电动机额定功率选择的过大，就会变成“大马拉小车”，电动机处于轻载状况下运行，其功率因数和效率均会低，运行不经济。对电机效率的预计值与实际运行有较大差距，传动比的可行范围较大，而且还需要由丰富的设计经验才行，以及根据设计经验将按负载力的一定比例进行余量考虑也是影响电动机选择不准确的因素。

3 新的选择直流电机方法

电机运行的主要要求是电机在额定电压时，能在外加额定转矩的情况下，达到一定的转速。通俗的讲就是，电机在规定的电压及容许的电流下能带动负载，在要求的转速下能稳定可靠的运行。通过分析研究，提出了一种新的电动舵机电机选择方法，即图解机械特性目标选择法，如图1所示，并且在实际中得到了应用。

图1 目标电机图解特性曲线图

该方法是以舵机技术性能指标为根本原则，以电动舵机负载特性为基础，以电机机械特性为目标并以图解机械特性的形式选择目标电机。在对舵机特性及指标进行分析的基础上，以舵机的额定工作点为出发点进行电机选择。电动机额定功率的选择是一个很重要又很复杂的问题。电动机额定功率的选择应适当，不应过小或过大。因此，对额定点在图1所示目标电机图解特性曲线图中那个位置进行定位，把舵机额定工作点所对应电机额定工作点在设计前预先设置于该电机曲线的某一合理位置作为将要选择的电动机的目标，把该点作为电机选择的目标之一。同理，把舵机的最大负载点、最大速度以及起动扭矩倍数等通过计算值均对等的映射到电机的机械特性曲线中，这些点均作为电机选择的目标点，最后由目标点所对应的机械特性曲线对电机进行选择，做到有的放矢。

新的选择直流电动机的方法主要步骤如下：

(1)根据舵机总体结构设计方案及技术指标要求确定相关参数。各部分传动机械的转动惯量JL，折合到将要选定的电机的输出轴端JM； 传动部件的总减速比i，总减速比i的确定应结合结构位置尺寸以及舵机动态性能惯量匹配等条件综合考虑取值；根据舵机传动链组成，由各传动件效率η1，η2，η3……等计算舵机传动链总效率η总；η总=η1×η2×…×ηn。

(2)根据电动舵机最大空载速度、额定速度技术指标要求以及减速比i，计算出所需要的电机在空载时需要达到的空载速度n0和在额定负载时需要达到的额定速度nn。此目标点的确定可根据实际工作环境对速度的影响情况，用给定一定的余量后的值作为目标点。

(3)根据舵机输出负载力技术指标要求以及各转动部分的转矩折算到电机轴上，计算出电机在额定负载和最大负载时电机需要达到的额定转矩TN，根据舵机加减速转矩的要求计算对应的电机最大峰值转矩Tmax。电机的堵转转矩为TD，所以选取点时Tmax应

(4)计算确定电机额定功率PN和最大功率Pmax。伺服系统和舵回路中电机功率的确定，往往由于负载性质的不同和系统要求的不同，有不同的计算方法。为了比较合理的确定电机的功率，关键是要事先搞清楚负载的情况。根据舵机额定载荷和最大载荷的实际情况计算确定电机的额定功率和最大功率点。

(5)确定电机的工作效率点。各种电机的效率是不同的，同一电机在不同负载下的效率也是不同的，对同一电机不仅要知道电机的最大效率，而且要知道电机在不同输出转矩时的效率，这样才能精确选定某一负载所需的电机。

(6)将所有计算的数据结果罗列出来并将该电机参数用图解的形式表示，图解形式如图1所示。该曲线图是电动舵机技术性能指标所要求的相对应的电动机机械特性曲线。以此为标准，将满足图解电动机机械特性曲线指标的电机列出来。

在图1中：T-n曲线基本上是一条直线，与纵坐标Y轴的交点为空载转速n0，与横坐标的交点为堵转扭矩TD；T-I曲线也是一条直线，与Y轴的交点为空载电流I0，电机的工作电流随负载转矩T的增大而增大；T-η曲线是一条非对称的曲线，其最大值偏向左侧为ηmax；T-P曲线是一条标准的抛物线线，其顶为电机的最大功率点Pmax，对应的转矩为TP。图中的A点是与电动舵机工作点相对应的目标电机的工作点(对应的扭矩为TA)。目标曲线工作点A点是根据舵机指标要求动态选取的，根据实际工作，舵机所用的电机工作点一般不会落在图1中的阴影部分，而大都选在图1中的非阴影区域。

(7)分析图解的电机机械特性曲线，以最终图解的电机机械特性曲线为目标，确定要满足该舵机技术指标时的电动机参数要求是多少或在列出来的电机类里对比，看哪个曲线最为符合。在系列类型号中选择，如果没有或难以设计达到十分吻合的机械特性曲线目标，可选择与之最相近曲线的电机。此种情况若在机载设备中选择电机，一般选择曲线参数略大于指标要求值，增加其可靠性。如果由于电机型号规格范围的局限性的限制，没有符合的理想的目标电机，则可以进行设计定制满足此电机机械特性曲线的电机。

电动舵机用电机的选择主要是如何正确确定与舵机负载特性与之对应的电机的主要特性数据。把电机的这些特性数据按照预定的舵机性能非常合理正确的确定下来，才能选择出合乎要求的电机。如果在现有的电机规格型号中没有合适的电机，则可按照图解曲线确定的电动机参数要求进行改制或电机设计。如果设计时参数要求无法全部满足，则可提出系统对舵机的某些指标要求是不现实的，不妥当的。这样也可检验系统提出的指标是否合理。另外，电机是功率的换能器，在换能时有功率损耗。选择电机的输入功率时必须考虑到电机的效率。

这种选择电机的方法使得驱动装置的可行性检查和不同系统间的比较更方便。该方法适用于各种负载情况，将负载和电机的特性相联系，有关动力的各个参数均可用图解的形式表示并且适用于各种电动舵机，无需用大量的类比来检查电机是否能够驱动某个特定的负载，且满足指标更为准确，不会出现容量过剩或者容量不足的现象，使控制装置更加容易，舵机性能恰到好处。

4 结 语

本文给出了一种舵机设计中择直流电动机的新方法，即机械特性图解目标选择法。通过与一般的选用直流电动机说用方法的比较，给出了利用机械特性目标选择法选择直流电动机的主要步骤。使用此方法能使所选电动机在满足产品性能指标要求的前提下，使选择的电动机更加优化、科学，合理可靠，安全节能。选择直流电动机的方法均适用于直流电机作为动力源的伺服机械传动系统中，如自动控制装置、电力传动与拖动、机电一体化产品等。

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