第七章舵机与舵回路

K ( s) U a ( s) TM TE s 2 TM s 1
一般 TM TE
TE 0 于是传递函数近似为：
K G( s) TM s 1

交流伺服电机
可以导出交流伺服电机的运动方程为： d J K c K uU k dt J为折算到电机轴上的转动惯量与转子本身转动惯量的总和 Kc为理想机械特性的斜率（阻尼系数），Kc即为阻尼力矩
一、舵机
舵机与助力器
舵机是舵回路的执行元件，它输出力矩/力和角速度/线速度来驱 动旋翼桨叶/尾桨叶偏转。根据供给的能源不同，一般分为电动舵 机、液压舵机和气动舵机三类。

电动舵机
电动舵机以电为能源的舵机。通常，由直流/交流电动机、测速装 置、位置传感器、齿轮传动装置和安全保护装置等组成。
电动舵机的两种控制方式: 直接式：通过控制电动机的电枢电压或激磁电压，直 接控制舵机输出轴的转速与转向； 间接式：电动机恒速转动，通过控制离合器的吸合， 间接控制舵机输出轴的转速与转向。
Ki 1 为放大系数 R
L R
激磁绕组电压与电流间的传递函数为： Ki I ( s) 惯性环节 G( s) U ( s) Ts 1
激磁电流i产生传递力矩 视为一静态过程，即：既 无惯性，也无延迟。静特 性由实验方法测得如图所 示。
M
i

图中可见，当激磁电流沿不同方向变化时，传递力矩也沿不 同的曲线变化，并在激磁电流为零时，还有一定的剩余传递 力矩M0。造成这一现象的原因是磁性材料有磁滞效应。一般 情况下， M0和克服此力矩所需的方向电流I0很小，可以忽 略不计。因此经线化处理后激磁电流和传递力矩的变化关系 为：
相应的传递函数为：
磁粉离合器的比例系数
K G(s) U ( s) s(Ts 1)
(s)
惯性积分环节
电动机特性
舵机中的电动机除了上述例子中的磁滞电机外，还可以用 直流伺服电机、交流伺服电机作为飞行控制器中的执行元 件。其作用是将电信号量转换为机械运动量。

直流伺服电机
可以导出直流伺服电机的运动方程为：
M KM i
KM为力矩系数
传递力矩与转速

传递力矩与转速之间的关系反映了磁粉离合器的机械特性。当从 动部分转动后，传递力矩会随转速的增加而有所下降，但下降很 少，原因是力矩是靠摩擦来传递，静摩擦系数与动摩擦系数几乎 一样。由图可见，K tg 0 ，可以说基本上没有阻尼力矩产 生。这样，根据牛顿第二定律，可得从动部分在空载时的微分方 程为：
第七章 舵机与舵回路
舵机是飞行控制系统中不可缺少的执行元件，其作用是根据飞行 控制系统伺服放大器或指令模型或敏感元件的输出信号驱动自动 倾斜器/尾桨桨距机构，使旋翼/尾桨向一定方向偏转，通过对桨 距角度的控制实现对直升机角运动/线运动/航迹等运动的控制与 稳定。 舵回路是飞行控制系统的一个内回路，是由包括舵机在内的多部 件组成的一个伺服回路，为一典型的随动系统。 舵机工作时所要拖动的负载是旋翼桨叶/尾桨叶的铰链力矩。旋 转中产生的铰链力矩通过变距拉杆传递到自动倾斜器，对自动倾 斜器构成偏转力矩。该偏转力矩不仅是巨大，而且其方向和大小 随着旋翼方位的不同而周期变化。飞行状态不同，负载也不同。 对于这样的负载，舵机是难于直接驱动的（小型无人直升机/模 型直升机例外），也难于使舵机在任何飞行状态都稳定工作。为 此，常规直升机一般装有助力器，间接控制自动倾斜器。引入适 当的反馈信号，提高舵机的稳定性，从而构成舵回路。
航向保持模态
c 0 _
1 0.05s 1
k 1
_
k 2
舵 机
r
k
kv

v

航向小修正,直接控制尾桨通道
垂直速度保持模态
H c
0.05 s
_
H
kH 1
_
舵机
c
kH
H
kH 2

一般空速应大于 20 m / s ,垂直速度控制精度应在 5m / s 的保持精度应 1m / s 。 范围内，H
测速发电机特性
测速发电机为测量元件，是一种将机械转速信号变成电信 号的电磁元件。根据输出电压的性质，有交流和直流之分。

交流测速发电机
输出方程：
uc K 2 n sin(t 90 )
为激磁电压的角频率,n为转速, K2为转换系数
其振幅值和有效值的测量方程即为： 1 ucm K 2 n Uc K 2 n K3n 2
航向保持模态
c 0 _
1 0.3s 1
k
_
f
k
_
舵 a 机
直升机 动力学

kp

p
c 0 v
_
kv
_
k k
舵 r 机
直升机 动力学
_
d

v
v w (s)
w

57.3 U0
wy (侧风)

航向有较大偏差,改变飞行航迹偏转角 尾桨通道起航向协调 侧向加速度使机头偏转，以消除侧滑
T--振荡环节时间常数，Ky助力器放大系数。
若不考虑助力器负载惯性，又不考虑油液的压缩性，则 助力器为惯性环节，即
Ky Y ( s) G( s) X ( s) s 1
--惯性环节时间系数
液 压 作 动 筒
力矩马达
二、舵回路
舵机用于拖动桨叶铰链力矩对自动倾斜器所构成的负载。 铰链力矩是与直升机的飞行状态和桨叶的挥舞等因素有关。 随着飞行状态的变化，铰链力矩也会发生很大的变化，势 必对舵机的动特性造成影响，甚至破坏舵机的运动规律。 因此，需要引入反馈量，对舵机进行增稳控制，舵机和反 馈装置组成的闭合回路，即为舵回路。 同时为了实现舵机某种控制规律，也需要舵回路。
_ u
_
ku1
_
k
_
舵机
e
kH 2
u
ku
kq
q


Hale Waihona Puke 1 . 2 m / s 8 地速保持精度 ，横滚角限制在 。 自动悬停模态
气压高度保持模态
H c 0 _
H
1 s
kH1
k HI s
_
kH
H
舵机
c
kH 2


一般应使气压高度的稳定精度 16 m 无线电高度保持模态离地较近，一般在45m ~350m间，精度要求较高 6 m
控制律
舵机
H C
FCS | H
控制律
舵机
c 学
y
H
俯仰姿态控制 纵向速度控制 纵向轨迹制导 垂向高度控制
横滚姿态控制 侧向速度控制 侧向轨迹制导 垂直速率控制
C
_
FCS |
控制律
舵机
r
v
航向姿态控制
侧加除侧滑
kv
v
自动飞行模态一般控制律

三轴姿态保持模态
直接控制电动机的舵机
直接控制电动机的舵机原理图
驱动电动机为磁滞电机，由电机控制信号直接控制电机的转速和转 向，从而实现对舵机的转速和转向的控制。 测速发电机用于舵回路的速度反馈。
电磁铁端面齿离合器控制着舵机与自动倾斜器的连接与脱开。当飞行控制 器接通，电磁铁工作，主动轮和从动轮齿合，经摩擦离合器带动输出轴转 动。当飞行控制器处于非接通状态，在弹簧力作用下主动轮和从动轮脱开， 自动倾斜器不受舵机控制。
在忽略摩擦和负载力矩情况下，磁滞电机的动特性方程 与交流伺服电机的动特性一样。
相应的传递函数为：
K G( s) U k ( s) Ts 1
J Ku 磁滞电机的放大系数 T K 磁滞电机的时间常数。 K c Kc

( s)

磁滞电机的特点： （1）结构简单，工作可靠。 （2）起动转矩大，起动时间短。 （3）可依据负载反转矩的大小确定转子转速的运行工作状态，有同 步运行和异步运行两种工作状态。 （4）从开始起动到进入同步运行之前，起动电流基本上保持不变。 主要缺点是：要制造磁滞角较大的材料比较困难，故最大转矩受到限 制，带动负载的能力也受到限制，因此，磁滞电机功率较小。
传递函数
Y ( s) K G( s) I ( s) s(Ts 1)
式中
K KM K y Kf
1 T K pKxK f
典型液压舵机
液压助力器：

考虑液压助力器的负载惯性且忽略油液压缩性，助力器为二阶振荡环 节，即
Ky Y（s） G（s）＝ ＝ 2 2 X（s） T s ＋2 Ts＋ 1
U c ( s) 相应的传递函数为： G( s) K3 n( s )
直流测速发电机

输出方程：
Ke Ua n Kfn Ra Rb 1 Rf
Ra为电枢电阻， Rb为电刷的接触电阻， Rf为负载电阻
PfN Ke 10 8 P为磁极对数，为每极磁通，N为电枢 60
的总导体数， 为电枢绕组的支路数。
扰动
c 0
_ k f _
1
。
_
舵机
e
直 升

kq kf
_
q
舵机
f

fc 0
a
机 动
p
c 0
_
kp
p
舵机
q
k
_
r
r
力 学
r
v
kr
v
kv
适用全包线飞行，稳定飞行姿态精度要求 1
空速保持模态

相应的传递函数为：
KM G( s) U k ( s) TM s 1