电动舵机结构原理及检测项目分析

摘要：电动舵机是集自动控制、电力电子技术、精密制造等多种专业于一体的综合性机电产品。各种类型的舵机根据各自舵回路放大器输出的信号，分别操纵被控舵面工作，从而达到飞行角运动或轨迹运动的自动稳定和控制。作为无人机航空电子系统的重要组成部分，某型电动舵机可接收来自机载飞行控制计算机的输出控制信号，带动无人机左、右副翼舵面、升降舵面、方向舵面按控制要求进行偏转工作，实现对无人机的飞行控制。

关键词：电动舵机、结构、工作原理、性能测试 一、电动舵机系统的结构组成

电动伺服舵机系统本身是一个闭环角位置随动系统，它操纵舵面偏转的执行机构是电动机。一般由控制器、驱动器、伺服电机、减速传动机构和反馈电位器等五大部分组成。通常情况下，电动舵机系统的组成如图所示。它是一个典型的位置反馈系统。

电动舵机系统组成框图

二、电动舵机系统的工作原理

一架无人机共有三个相同的电动舵机，分别为升降、副翼、方向舵机，它们根据飞控系统各回路输出的信号分别去控制无人机的三个舵面，从而达到自动控制无人机的目的。电动舵机是根据飞行控制计算机的指令产生一个输出，这个输出控制舵面的操纵量，用来操纵控制舵面的偏转。

电动舵机系统的工作原理是，根据飞控系统控制电路的输出大小和极性的舵控制信号，操纵无人机的舵面转动。

当实际舵偏角δ与要求的角度存在误差时，在控制器的作用下产生误差电压信号，该误差经过驱动器进行功率放大后，驱动伺服电机转动。伺服电机的力矩通过减速传动机构放大，带动舵面，使舵面向要求的角度偏转。误差为正时，加在伺服电机上的直流平均电压为正，舵面向正方向转动；误差为负时，加在伺服电机上的直流平均电压为负，舵面向负方向转动。

当舵面偏转到要求的角度时，误差信号为零，加在伺服电机上的直流平均电压为零，舵面失去驱动力矩停止转动。舵面转动的角度δ，通过反馈电位器形成舵反馈信号，提供给控制器，形成系统的闭环控制。

直流伺服电机通常具有较高的额定转速和较小的额定转矩，要达到电动舵机要求的角速度和输出力矩，就必须配备较大减速比的传动装置。某型电动舵机由直流伺服电机齿轮轴带动减速比确定的减速器构成减速传动机构，减速传动装置中的传动齿轮均采用双片齿轮结构。

反馈装置通常采用反馈电位器实现，它将舵面的角位移变成电压量，以便实现位置反馈。反馈电位器具有体积小、精度高、线性好、简单可靠的优点，适合用作位置反馈。

控制器完成对舵控制信号和舵机位置反馈信号的误差综合和放大。为了在系统稳定的前提下，提高系统的快速性，控制器通常都包含有校正环节，传统的校正环节可以采用超前校正、PID校正等实现。 三、电动舵机性能测试及技术指标分析

某系列电动舵机的主要技术指标及检测项目如下： （一）电动舵机电气性能

（1）电源供电：直流+28+1 -4V ，-(15±1)V~+(15±1)V （2）输入信号：±10VDC

（3）舵回路灵敏度：≯20mV

（4）舵机零位静态电流：每个舵机零位静态电流分别小于0.18A （5）功耗：+28 VDC 功耗小于50W，±15 VDC小于5W （二）电动舵机性能检测项目分析

针对该系列电动舵机的各项性能指标，现就其中较为重要指标参数和测量方法介绍如下：

（1）工作行程：升降副翼舵机工作行程：-23?+0.3? -1.0?~ +23?+0.3? -1.0? 方向舵机工作行程：-22.5?+0.3? -1.0?~ +22.5?+0.3? -1.0?

测试方法：将方向舵机和升降副翼舵机分别与专用角度测量设备正确连接，用舵机控制器给舵机正常通电，控制信号加-(5±0.01)V、+(5±0.01)V信号时，用四位半数字万用表测量舵机的角位置信号输出端口电压值与舵机输出角度值要求如下： 升降副翼舵机为： - (4.6+0.05 -0.4)V~+(4.6+0.05 -0.4)V 其相应机械角度为： -23?+0.3? -1.0?~ +23?+0.3? -1.0?； 方向舵机为： (4.5+0.05 -0.4)V~+(4.5+0.05 -0.4)V

其相应机械角度为： -22.5?+0.3? -1.0?~ +22.5?+0.3? -1.0?

（2）机械零位与电气零位不重合度：舵机在输入信号为+15V和-15V时的静态电流应≤0.2A；机械零位与电气零位不重合度应<0.3?。

测试方法：使待测舵机的摇臂位于机械零位，待测舵回路处于闭环状态后通电，分别加+15V和-15V信号时，舵机不应发生机械限位现象，舵回路此时静态电流应≤0.2A，将舵机回到机械零位状态，将专用角度测量设备正确连接，给舵回路输入零信号，测量此时舵机输出的机械角度与机械零位的差值应<0.3?。 （3）位置反馈电位计梯度计算

测试方法：舵机与测试设备正确连接，测量当前舵机的机械输出角度，用四位半数字万用表测量舵机位置反馈电位计的输出信号；用测试设备给舵机通电，使舵机输出轴转动一个角度后断电。测量此时舵机的机械输出角度，用四位半数字万用表测量此时舵机位置反馈电位计的输出信号；由此可计算得到位置反馈电位计梯度；

（4）传动间隙：每个舵回路的传动间隙≤0. 1?

测试方法：将舵机连接到加载台上，待测舵回路处于闭环状态后通电，给舵机输出轴两个方向分别加0.5N·m（0.5kg砝码）的负载，用四位半数字万用表分别测试相应舵回路电位计的输出电压值V1和V2，两读数差值的绝对值换算成角度即为传动间隙；此角度应≤0. 1?。

（5）舵机灵敏度：不大于20mV

测试方法：用测试设备给舵机和控制盒正常供+28V和±15V 直流电源，将舵机调零位，用四位半数字万用表测量舵机输出给飞控计算机信号测试端口电压值。通过测试设备上给定控制信号旋钮给出0mV~+20mV控制信号时，输出信号测试端口电压值应有变化；将舵机调零位，测量舵机输出信号测试端口电压值，通过测试设备上给定控制信号旋钮给出-20mV~0mV控制信号时，输出信号测试端口电压值应有变化。