影响航模舵机性能的因素分析

潘延敏+李燕

摘 要：由于舵机具有位置自锁、位置跟踪等功能，而且可操作性、稳定性、与数字系统的连接性较理想，虽然体积相对较小但输出力矩较大，所以现阶段在模型飞机等机电产品中得到较广泛的应用，为保证航模舵机的性能满足飞机飞行安全性和准确性的要求，本文针对影响航模舵机性能的因素展开研究，为航模舵机设计、生产、维护保养等方面工作提供参考。

关键词：航模舵机；性能；影响因素

前言：舵机属于闭环反馈伺服系统，在对角度调整灵活度要求高切尔需要持续驱动的系统中具有重要的作用，航模舵机的动作质量直接决定了飞机的飞行姿态，所以是航模的重要构成，但由于其结构较复杂，在运行时需要各部件间的精密配合，影响因素多且交叉影响，所以要保证航模舵机发挥预期的性能，存在较大的困难。

一、航模舵机的运行原理分析

控制电路板、空心杯电机、减速齿轮组、舵盘、位置检测器等均是航模舵机的重要构成，其中具有接收、发送信号功能，调节航模舵机状态的控制电路板是核心；而内含永磁体的细铜线构成的无铁芯中空转子，是空心杯电机的主要形式，其空间占用和整体质量相比传统铁芯缩减30%甚至50%[1]。在航模舵机中应用的齿轮如果为金属齿轮，对负载的承受能力会相比塑胶齿轮更大；在输出轴位置的舵盘可以有效连接模型飞机和航模舵机，并进行动力的有效传输，保证航模舵机性能的实现[2]。在航模舵机运行的过程中，接收信道会将接收天线所获取的PWM控制信号传入信号解码电路，形成直流偏置电压，将其与位置反馈电位器向控制电路反馈的电压进行对比，然后利用电机驱动电路将获取的电压作为空心杯电机运行的动力，空心杯电机直至电压全部消耗完毕后停止运行，可见舵盘位置的实际效果，与获得的直流偏置电压大小之间具有密切的关系。

二、航模舵机的性能分析

航模舵机的性能主要通过具体的角度、扭力、速度、噪声、重量等参数体现，所以在确定航模舵机性能的过程中，需要对以上各参数进行测试，保证各方面的测试结果满足性能发挥的要求[3]。例如在角度测试的过程中，考虑到其控制信号应用的是PWA信号，其周期、宽度分别为20ms和2ms，与舵盘0至180度的位置对应，在舵机输出轴转角分别为0度、45度、90度、135度、180度的情况下，其对应的输入信号的脉冲宽度分别为0.5ms、1ms、1.5ms、2.0ms、2.5ms，所以在脉冲宽度一定的情况下，保保证测试获取的角度也为固定值。在进行扭力测试的过程中，主要是在夹具稳定、未崩牙时，直接对其承受扭力的上限进行测试的过程；而在噪声测试的过程中，主要在噪声不高于35dBA的情况下，对噪音计间距为0.1米的航模舵机噪音进行测试，并针对其峰值进行分析[4]。在速度测试的过程中，需要将速度测试仪与航模舵机连接并置于暗箱之中，通过具有指针的舵盘实现，在此过程中主要以所获取的最大值作为速度测试的最终结果。所以要对航模舵机性能影响因素进行分析，只要判断哪些因素会对航模舵机的相关参数具体值产生影响即可。

三、航模舵机性能的影响因素

要充分发挥航模舵机的性能，首先保保证航模舵机的各组成部分性能满足要求，然后保证各结构之间的匹配程度满足要求，所以笔者认为影响航模舵机性能的因素主要包括以下方面：

（一）航模舵机各组成结构的性能

1、控制电路板

额定负载下，控制回路的稳态误差要控制在5%以下，但人们通过在相同条件下对不同种类航模舵机进行不同型号电路板力矩测试发现，使用不同控制电路板的航模舵机的力矩并不一致，通常情况下，使用性能相比更优越的控制电路板的航模舵机的力矩也较大，这说明，控制电路板的性能会直接影响航模舵机的力矩[5]。另外，人们发现，控制电路板所具有的不同电阻值对角度也会产生一定的影响，例如在使用某电路板的情况下，其1.5千欧和260千欧的阻力对0.8毫米的电阻脉宽分别产生10度和23度的角度，对1.0毫米的电阻脉宽分别产生35度和42度的角度，对1.5毫米的电阻脉宽分别产生91度和90度的角度等。可见控制电路板自身的性能会直接影响航模舵机的性能，在选择的过程中要重点把握。

2.空心杯电机、减速齿轮组、舵盘、位置检测器

由于上述结构均属于航模舵机的牙箱结构，所以笔者将其综合论述。首先，空心杯电机，其是直流、永磁、伺服微特电机，在节能性、控制的可操作性、运行的稳定性等方面均具有较理想的特征，在能量转换方面效率较高，因为其在运行的过程中铁芯涡流会在产生电能消耗的同时，降低转动惯量和重量所消耗的机械能，将其应用于航模舵机可以使其重量、体积、能耗等有效的缩减，但在实践中可以发现，在空心杯电机运行的过程中会产生影响电路板输出端电压值的稳定性，而且这种影响会随着空心杯质量的下降而加大，使航模舵机的速度、噪声、扭力等均发生改变，所以要保证航模舵机的性能，在认识到空心杯电机的优势的同时，应尽可能提升其质量[6]。其次，位置检测器，其涵盖多个磁致伸缩传播媒体，是用于生成振荡波和检测感应电压的两种线圈，可以在测定时间的基础上测出指示位置，可见位置探测器的性能对航模舵机位置移动的角度会产生直接的影响，而位置检测器空载扭转力矩对航模舵机的移动灵敏度也会产生影响，在位置检测器不能对航模舵机所在位置进行感应的情况下，飞机的实际飞行状态和飞行方向将受到严重影响，所以人们甚至直接将位置检测器的性能作为衡量航模舵机使用寿命的重要标准。再次，减速齿轮组，一组或多组相互连接咬合，但在转动的过程中互不干涉的进行转速改变运动状态中所应用的齿轮组即减速齿轮组，其一方面可以使电动机原有的转速下降至需要的转速，另一方面可以对扭矩进行合理的放大，使其满足航模舵机运行的实际需要，可见减速齿轮组的运动性能会直接影响航模舵机的扭力值和传出的实际速度，而且减速齿轮组的结构精度、设计等会影响航模舵机的使用寿命，所以要提升航模舵机的整体性能，应对以上结构的性能进行合理的把握。

（二）航模舵机各组成结构的安装匹配程度

在进行航模舵机装配的过程中，首先应使电机齿轮在电机轴位置固定，但两者之间要保留一定的空隙；其次将电机、电位器、电路板固定于中壳，电路板与电位器、电机进行小孔对应插入式固定并焊接；然后将齿轮按顺序固定、均匀涂抹齿轮油，此时要保证齿轮间的咬合质量；最后，上壳和中壳位置固定并压紧，与底盒组合并用螺钉固定，可见，安装匹配过程相对较简单[7]。但在实践中人们发现，如果航模舵机所使用的空心杯电机、减速齿轮组、舵盘、位置检测器为同一厂家同一批号生产，对航模舵机性能的影响相对较稳定，而如果航模舵机所使用的空心杯电机、减速齿轮组、舵盘、位置检测器为不同厂家生产或同一厂家不同批号生产，对航模舵机性能的影响将十分显著，这在一定程度上说明航模舵机各组成结构的安装匹配程度对航模舵机性能也会产生影响。例如，笔者在控制电路板相同情况下，在选择同一厂家同一型号的三种空心杯电机、减速齿轮组、舵盘、位置检测器时，会发现不同情况下航模舵机噪音的变化幅度为3.7dBA、5伏情况下扭力的变化幅度是0.01N·m，速度的变化幅度是0.008度/秒，0.8ms、1ms、1.5ms、2.0ms、2.2ms电阻脉宽情况下，角度的变化幅度分别为5度、2度、3度、2度、5度；而笔者在选择同一厂家不同型号的三种空心杯电机、减速齿轮组、舵盘、位置检测器时，会发现不同情况下航模舵机噪音的变化幅度为5.6dBA、5伏情况下扭力的变化幅度是3.2N·m，速度的变化幅度是1.53度/秒，0.8ms、1ms、1.ms、2.0ms、2.2ms电阻脉宽情况下，角度的变化幅度分别为11度、12度、13度、12度、15度，所获数据可说明了航模舵机各组成结构的安装匹配程度会影响航模舵机的性能。另外，装配过程中具体的手段也会随航模舵机的性能产生影响，例如在装配的过程中，所使用的减速齿轮组的各齿轮咬合程度不理想，在应用的过程中不仅会产生较大的摩擦噪音，而且会使打齿等问题的发生概率明显提升；航模舵机底盖位置安装不合理，将直接影响航模舵机的使用寿命等。这要求在航模舵机进行安装的过程中，对安装的结果进行全面评价和综合测试，以免因安装结构的匹配程度不理想，导致航模舵机性能下降，造成严重的经济损失和飞行事故。

另外，人们发现舵机6伏相比5伏虽然电压更大，转速更高，但扭力却相对更小，这是因为航模脱机中电池的电压是电路电流、电阻乘积与转动消耗电压的和，而舵机所构成的电路回路并不是纯电阻电路，导致扭力小于电流，转速小于电压。所以在配置的过程中需要结合具体的设备构成选择适合的电源电池。

除上述因素外，在进行舵机和连杆调整的过程中，如果单纯的认为连杆和舵机相连，并用遥控器后期调整，保证舵面上下能“停”在预期的位置即可，这不仅会使飞机的操作性能受到严重影响，也会使航模舵机的控制精确性受到严重的冲击，所以在进行舵机和连杆联机调整过程也要受到关注。笔者认为在连接、调整的过程中，应尽可能的对航模舵机的控制精度进行利用，例如PCM1024设备的精度即90度与1024的比值，为0.09度。在舵机使用的过程中，会产生一定的阻力，导致航模舵机的实际控制精度相比预期明显缩减，要提升航模舵机的精度需要让舵机满程运行，缩减舵机的负荷。其次应结合实际情况对舵机中立位置进行调整，而非必须将其设置在舵面0的位置。例如直升机在运行的过程中，自身的重量要依靠旋翼生成的升力抵消，此时如果强制性的将舵机中立位置设置在舵面0的位置，反而影响其实际运行的精度。

四、航模舵机性能影响因素的利用

在明确航模舵机的影响因素的情况下，可以提升对航模舵机的常见故障的诊断效率和准确性，而其提升对航模舵机运行状态监测的实际效果。例如，在炸机后，航模舵机的电机仍疯狂的旋转、舵盘摇臂失去控制而且出现打滑现象，则可以直接盘点其齿轮出现了问题；在炸机后、航模舵机的灵活性受到严重影响，局部位置过热，但仍可以按照控制命令进行运动状态的调整，知识舵量的速度和程度严重下降的情况下，可以判断航模舵机的电机是否发生过流问题，如果测试中发现电机的空载电流已经超过150MA或完好电机空载电流在90MA之下，60MA之上，需要对航模舵机的电机进行更换。在炸机后如果航模舵机所有反映小时，则可以判断其航模舵机的电子回路、电机或电路板驱动发生问题，此时需要对插头、电机和舵机的引线进行检查，判断其是否出现断路；在航模舵机的摇臂只有一边运作的情况下，则需要对其驱动三极管的运行状况进行判断即可。可见对航模舵机性能的影响因素进行分析，不仅可以为提升航模舵机各结构的性能提供方向，而且可以使航模舵机的维修养护等方面更加具有效率和准确性。

结论：通过上述分析可以发现，现阶段人们已经认识到航模舵机性能对飞机飞行安全性和质量的重要性以及航模舵机性能会受到多种因素的影响，并在实践中有意识的结合航模舵机的运行原理，对航模舵机的零件性能进行优化设计、提升装配工艺质量，这为现代航模舵机整体性能不断提升创造了条件。

参考文献

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[2]张明月. 含间隙滚珠丝杠式电动舵机动态特性分析[J]. 计算机仿真，2016，01：63-67+126.

[3]王健，刘旌扬，魏成柱，李英辉，易宏. 新概念穿梭艇自航模操控系统试验研究[J]. 中国舰船研究，2016，01：95-101.

[4]陈贻国，钱金芳，潘日敏. 一种基于STM32的航模直升机飞控系统设计[J]. 电子器件，2012，01：47-51.

[5]李朋，周军，高智刚. 舵机转角精确测量系统的设计[J]. 测控技术，2012，06：18-21.

[6]吴娟，张家盛，康光会. 舵机系统动刚度的分析研究[J]. 科学技术与工程，2008，04：1124-1128.

[7]邓攀，李彬，毛立峰. 船舶舵机推舵系统频率特性分析与研究[J]. 船舶与海洋工程，2015，03：28-32+56.