摘要：隨著無人機可靠性要求的提高，對操縱無人機舵面的小型舵機的可靠性的要求也日趨提升，為此設計了一種無人機用的小型雙余度電動伺服舵機。該雙余度電動伺服舵機采用了雙電機驅動，雙反饋元件和雙驅動元件，可較為容易地實現兩余度運行。此外，為實現雙余度舵機系統的在線動態檢測，文章將雙余度舵機劃分為多個組件，根據不同組件特性，選用采用模型比較監控或比較兩通道輸出的方法構成系統的故障自檢測( bit)模塊。由于采用了雙余度方案，該舵機的任務可靠度與單余度的同類舵機相比明顯提高，能用于可靠性要求較高的無人機中。

關鍵詞：雙余度舵機；無人機；可靠性；故障診斷

中圖分類號：tm383.4; tm307 +.1    文獻標志碼：a    文章編號：1001-6848{2010)03-0024-04

    電動伺服舵機在我國及世界上多種飛機上都有使用，而在現代無人機上的應用尤為廣泛。但是由電氣、電子、機械部件所組成的單套伺服系統的可靠性，在當今的元器件與系統練合的技術水平條件下，尚無法同傳統的電液操縱系統相比。對于任何系統而言，故障總是客觀存在的，雖然可通

過提高系統各組成元件的質量、加強對元件的保護、甚至改良設計等措施來提高系統的可靠性，但需要付出很大的代價，而可靠性的提高卻并不顯著。余度技術可以在相對降低對元器件的要求的同時有效提高系統可靠性[1,2]。因此，本文設計了一種適用于無人機的小型雙余度電動舵機，該舵機具備完全電氣雙余度，可通過電氣開關切換運行狀態，并設計有局部余度，工作1000 h任務可靠度大于0.9。本文還設計了舵機余度管理系統以及基于系統組件故障特性的故障自檢測模塊，能有效地對系統故障進行定位和預警，并進行故障保護。

  雙余度電動舵機系統如圖1所示。當某個電氣通道故障時，由故障診斷及余度管理系統將該通道隔離，使此電機處于隨動狀態，而不影響另一電機工作。這樣可以保證舵機某一電氣通道中出現故障時，系統也能正常工作。

  為提高系統余度性，在系統的硬件結構上，除了在控制指令級采用備份冗余外，功率放大器、直流電機和位置傳感器都采用了并聯冗余；在功能設計上，系統將位置閉環控制功能與余度管埋功能分離；另外，該雙余度舵機還設計有傳感器局部余度，可保證當一個傳感器出現故障時，舵機仍具有一定的余度性。由于采用了完全電氣雙余度配制和局部余度構型，該舵機的任務可靠度與單余度的同類舵機相比明顯提高。根據表1所列出的舵機元器件可靠性，可計算出單舵回路平均無故障工作時間為4454. 29 h，系統工作1 000 h的任務可靠度為0. 803。由于系統復雜度增加，雙余度舵機平均無故障工作時間降至2227. 15 h，但是由余度系統馬爾可夫故障模型”1可知，雙余度舵機1 000 h任務可靠度提高至0.9461，遠高于單舵回路的可靠性，可滿足高可靠度無人機的需要。

 

  這種雙余度舵機通過電氣開關隔離通道故障，不需要額外增加離合器或制動器之類的機械隔離裝置，使得該舵機具有體積小，重量輕，結構簡單的特點，有利于提高整機的可靠性。由于輸出軸的輸出為兩輸入軸的機械運動合成，且兩輸入軸承擔的力矩不變，因此只要保證兩輸出電機轉速相同，即可保證兩電機間的負載均衡，并很好地解決了力紛爭的問題。但這種舵機對加工精度要求較高，而且當舵機單余度運行時，被隔離的通道電機轉子會跟隨另一電機轉動，相當于舵機增加了一個負載，這就要求直流電機就有較小的機械慣量。因此，這種雙余度舵機適用于操縱小型飛機或無人機的舵面。

    雙余度舵機是一種位置隨動系統，采用位置閉環控制。雙余度舵機靜摩擦力干擾十分明顯，常會出現“步進”或“爬行”現象。在傳統的直流調壓調速系統中，常采用控制電壓上疊加高頻正弦波使電機微振以減小摩擦力矩。但是不同工作狀態下舵機伺服系統控制電壓所需疊加的正弦波幅值并不相同，本文提出將高頻正弦波作用點前移，疊加在位移給定信號上，如