摘要：随着无人机可靠性要求的提高，对操纵无人机舵面的小型舵机的可靠性的要求也日趋提升，为此设计了一种无人机用的小型双余度电动伺服舵机。该双余度电动伺服舵机采用了双电机驱动，双反馈元件和双驱动元件，可较为容易地实现两余度运行。此外，为实现双余度舵机系统的在线动态检测，文章将双余度舵机划分为多个组件，根据不同组件特性，选用采用模型比较监控或比较两通道输出的方法构成系统的故障自检测( bit)模块。由于采用了双余度方案，该舵机的任务可靠度与单余度的同类舵机相比明显提高，能用于可靠性要求较高的无人机中。

关键词：双余度舵机；无人机；可靠性；故障诊断

中图分类号：tm383.4; tm307 +.1    文献标志码：a    文章编号：1001-6848{2010)03-0024-04

    电动伺服舵机在我国及世界上多种飞机上都有使用，而在现代无人机上的应用尤为广泛。但是由电气、电子、机械部件所组成的单套伺服系统的可靠性，在当今的元器件与系统练合的技术水平条件下，尚无法同传统的电液操纵系统相比。对于任何系统而言，故障总是客观存在的，虽然可通

过提高系统各组成元件的质量、加强对元件的保护、甚至改良设计等措施来提高系统的可靠性，但需要付出很大的代价，而可靠性的提高却并不显著。余度技术可以在相对降低对元器件的要求的同时有效提高系统可靠性[1,2]。因此，本文设计了一种适用于无人机的小型双余度电动舵机，该舵机具备完全电气双余度，可通过电气开关切换运行状态，并设计有局部余度，工作1000 h任务可靠度大于0.9。本文还设计了舵机余度管理系统以及基于系统组件故障特性的故障自检测模块，能有效地对系统故障进行定位和预警，并进行故障保护。

  双余度电动舵机系统如图1所示。当某个电气通道故障时，由故障诊断及余度管理系统将该通道隔离，使此电机处于随动状态，而不影响另一电机工作。这样可以保证舵机某一电气通道中出现故障时，系统也能正常工作。

  为提高系统余度性，在系统的硬件结构上，除了在控制指令级采用备份冗余外，功率放大器、直流电机和位置传感器都采用了并联冗余；在功能设计上，系统将位置闭环控制功能与余度管埋功能分离；另外，该双余度舵机还设计有传感器局部余度，可保证当一个传感器出现故障时，舵机仍具有一定的余度性。由于采用了完全电气双余度配制和局部余度构型，该舵机的任务可靠度与单余度的同类舵机相比明显提高。根据表1所列出的舵机元器件可靠性，可计算出单舵回路平均无故障工作时间为4454. 29 h，系统工作1 000 h的任务可靠度为0. 803。由于系统复杂度增加，双余度舵机平均无故障工作时间降至2227. 15 h，但是由余度系统马尔可夫故障模型”1可知，双余度舵机1 000 h任务可靠度提高至0.9461，远高于单舵回路的可靠性，可满足高可靠度无人机的需要。

 

  这种双余度舵机通过电气开关隔离通道故障，不需要额外增加离合器或制动器之类的机械隔离装置，使得该舵机具有体积小，重量轻，结构简单的特点，有利于提高整机的可靠性。由于输出轴的输出为两输入轴的机械运动合成，且两输入轴承担的力矩不变，因此只要保证两输出电机转速相同，即可保证两电机间的负载均衡，并很好地解决了力纷争的问题。但这种舵机对加工精度要求较高，而且当舵机单余度运行时，被隔离的通道电机转子会跟随另一电机转动，相当于舵机增加了一个负载，这就要求直流电机就有较小的机械惯量。因此，这种双余度舵机适用于操纵小型飞机或无人机的舵面。

    双余度舵机是一种位置随动系统，采用位置闭环控制。双余度舵机静摩擦力干扰十分明显，常会出现“步进”或“爬行”现象。在传统的直流调压调速系统中，常采用控制电压上叠加高频正弦波使电机微振以减小摩擦力矩。但是不同工作状态下舵机伺服系统控制电压所需叠加的正弦波幅值并不相同，本文提出将高频正弦波作用点前移，叠加在位移给定信号上，如