伺服电机系统在-45°低温环境下的性能验证试验

摘要：为满足在严酷环境条件下正常工作的能力需求，对机电伺服系统在-45°低温环境下的性能进行验证试验，根据试验结果进行工艺流程改进。首先研究了低温环境对伺服控制驱动部分的影响；其次对低温状态下线位移传感器和电机旋转变压器的工作状态进行试验；最后对传动机械结构的装配质量进行量化分析。通过本次研究，掌握了制约机电伺服系统在严酷环境下工作的主要因素，通过工艺改进实现了其低温工作性能的提升，提高了生产效率，确保了产品交付，研究成果具有广泛的实用价值。

关键词：机电伺服系统；低温性能；工艺改进

1引言

伺服系统是飞行器控制系统的执行机构，其主要作用是依据控制指令驱动控制空气舵负载，快速响应位置指令，完成飞行器的姿态控制，达到使其稳定飞行的目的。

通常机电伺服系统的使用环境温度为20~30℃的室温环境。然而实际航空航天的使用工况更加复杂多变，如寒冬室外或高空的低温低气压严酷工作环境（-45°），对机电伺服系统的使用提出了更高的要求。

为扩大其使用范围，能够满足地/海/空等复杂条件宽温域工况的使用需求，本课题针对机电伺服系统的低温环境适应性及批生产产能进行工艺改进研究，以实现其低温工作能力的提升。

2低温试验条件

某型伺服系统由伺服控制驱动部分和作动器部分组成，其中作动器部分含电机、旋转变压器、线位移传感器等组件，其组成连接见图1-1。

 

图1-1伺服机构组成连接简图

该伺服系统需适应-45℃的低温环境并可靠地工作。在交付使用前必须经过-45℃低温工作试验的考核，伺服机构在进行-45℃低温工作时，需将整套伺服机构（1台伺服控制驱动器和2台机电作动器）放入低温箱内，并保温4小时后，伺服机构在-45℃低温条件下启机工作，进行功能性能试验，低温试验条件见表1-1。

表1-1低温试验条件

 

目前该型伺服机构即将进入批产阶段，而伺服机构-45℃低温试验合格率仅为90.1%，每批次均有伺服机构在-45℃低温环境下启动时发生抖动现象，异常现象典型指令和反馈曲线见图1-2a，其中黑色曲线jdB_sf(2)为指令曲线，红色曲线wyB_sf(2)为位移反馈曲线。从曲线上可见，红色反馈曲线有异常毛刺，伺服机构无法准确跟随指令，造成异常抖动，恢复至常温后，该抖动现象消失，正常的伺服机构指令和反馈曲线件图1-2b。

 

a）异常反馈曲线

 

b）正常反馈曲线

图1-2伺服机构低温抖动问题示意图

发生低温抖动问题后，将造成交付周期延误，产品报废，严重影响了研制及批产进度，基于此背景，以提高伺服机构低温工作试验一次交验合格率为目标，进一步分析伺服机构低温抖动的成因，对伺服机构的组成单机伺服控制驱动器和机电作动器进行调查分析，采用试验验证法，进一步定位造成伺服机构低温工作抖动问题的位置。

3伺服控制驱动器验证试验

使用伺服控制驱动器通过电缆连接两台作动器，伺服控制驱动器放置于低温箱中，作动器放置于低温箱外，-45℃低温条件下保温4h，然后启动伺服机构，进行30°位置特性试验，其测试曲线如图2-1。

 

图2-1伺服机构位移反馈图（测试仪显示曲线的照片）

使用伺服控制驱动器通过电缆连接两台作动器，作动器放置于低温箱中，伺服控制驱动器放置于低温箱外，-45℃低温条件下保温4h，然后启动伺服机构，进行30°位置特性试验，其测试曲线如图2-2。

 

图2-2伺服机构位移反馈图（测试仪显示曲线的照片）

通过以上对比试验可见，-45℃低温条件下，伺服控制驱动器对低温不敏感，当机电作动器单独处于低温环境下工作时出现了异常抖动，表现为位置反馈曲线未正常跟踪指令曲线，产生大量毛刺，因此-45℃低温条件下机电作动器异常抖动是造成伺服机构低温工作试验一次交验合格率低的症结所在。

4原因分析

针对-45℃低温条件下机电作动器异常抖动问题进行分析，确认可能产生该问题的原因有以下几点：

1、机电作动器线位移传感器电阻板片损伤，导致线位移传感器电刷与电阻板片之间断续不导通。

2、机电作动器线位移传感器电阻板片与电刷之间存在多余物，造成电刷与电阻片之间断续不导通。

3、机电作动器装配过程中存在轴向间隙，由于低温应力作用，间隙放大，导致机电作动器产生较大轴向间隙。

4、伺服电机旋转变压器低温条件下性能异常，导致角度、速度测量出现偏差。

针对机电作动器在-45℃低温环境下异常抖动问题运用头脑风暴，利用因果图进行原因分析，见图3-1。

 

图3-1机电作动器低温异常抖动原因分析因果图

5验证试验

线位移是机电作动器重要的位置反馈传感器之一，线位移组件异常受损将会导致整个伺服机构无法完成闭环控制，造成作动器无法准确响应指令甚至是开环损坏。因此，针对工作过程中线位移板片电阻膜局部受损的模式，拆开异常机电作动器线位移盖板和线位移板片，观察线位移板片上的电阻膜，发现在低温工作试验时发生抖动的位置均有深色粘稠多余物，为润滑脂，如图4-1所示；对线位移板片和电刷进行清洗后，如图4-2所示观察双侧线位移板片均比较平滑，电刷刷丝状态也较完好，均没有受损现象。将线位移板片及电刷表面使用酒精清洗后，线位移电阻膜表面较光滑，只有轻微电刷划过的痕迹，未发现划伤、凹坑等明显损伤，认为线位移局部受损对机电作动器低温抖动的影响较小。

 

图4-1线位移板片原始状态

 

图4-2线位移板片清洗后状态

线位移板片电阻膜上局部堆积润滑脂将形成多余物，在低温下其流动性（粘度）和导电性下降，将造成线位移电刷与导电膜的断续不导通，该问题将导致该机电作动器抖动甚至是开环损坏。拆开异常机电作动器后，可见线位移板片电阻膜上局部堆积润滑脂。机电作动器的滚珠丝杠副上涂有低温宽温域润滑脂7014，若润滑脂涂抹过多或不均匀，在运动过程中会甩出，若溅到线位移板片的电阻膜上，形成局部堆积，成为多余物；低温时润滑脂粘度增加且导电性降低，运动中线位移电刷无力推开该多余物，造成线位移电刷与导电膜的断续不导通状态，从而造成低温下的抖动；当温度升高，润滑脂粘度降低且导电性升高，线位移电刷与导电膜恢复导通状态，抖动现象消失。为了验证机电作动器低温抖动问题是由于润滑脂飞溅到线位移板片上形成多余物导致的，将机电作动器产品配套的线位移使用酒精清理后重新装配至机电作动器，重新进行三次-45℃低温工作试验，试验结果见图4-3，在每次试验中，机电作动器工作正常，未发生过低温抖动现象。试验结果表明发生低温抖动问题的机电作动器，当把其线位移表面的润滑脂擦除后再进行低温试验时不再发生低温抖动想象，因此可以确认，线位移板片电阻膜表面存在多余物（润滑脂）是造成机电作动器低温抖动的主要因素。

 

图4-3线位移板片清洗后试验数据（测试仪显示曲线的照片）

机电作动器是一种精密的传动机构，其主要原理是电机驱动减速器带动滚珠丝杠副旋转，将电机旋转运动转化为丝杠直线运动，机电作动器进行装配时，其传动间隙是影响控制精度、稳定性的重要因素，传动间隙大，同样会造成机电作动器抖动，低温条件下更加明显。因此，针对作动器合拢过程中轴向间隙不合格的模式进行分解检查。滚珠丝杠装配置机电作动器后结构简图如图4-4所示，其轴向间隙控制是决定机电作动器传动精度的重要因素之一。间隙调整时，需要选择合适的调整垫片，保证其有0.04-0.08mm的过盈量，如果选择调整垫片尺寸不满足上述要求，可能会造成机电作动器产生轴向间隙，导致其低温抖动。随机抽取同批次生产的41台低温性能正常的机电作动器和7台低温抖动的机电作动器，汇总其调整垫片厚度及其过盈量值，对比分析差异。分布详见图4-5，蓝色线段为低温合格产品的过盈配合量，红色线段为低温不合格产品的过盈配合量。图中可见所有产品的过盈量均在许用范围内。通过对比分析发现，低温正常工作和低温抖动产品轴向过盈量在0.04mm~0.07mm内均有分布，认为作动器合拢过程中轴向间隙不合格对机电作动器低温抖动的影响较小。

 

图4-4滚珠丝杠副装配图

 

图4-5过盈量点分布图

旋转变压器是检测电机转速、转角、位置的重要传感器，是伺服机构实现电流、速度、位置三环控制的重要传感器之一，低温条件下，旋变的正常工作是保证电机平稳运转稳定输出的必要条件。因此，针对旋转变压器测量电机转速、转角产生偏差的模式进行分解检查。将异常机电作动器配套的伺服电机分别拆下，更改伺服控制驱动器软件，使用电机旋变闭环的方式控制电机运动，使用伺服控制驱动器通过电缆连接两台伺服电机，伺服电机放置于低温箱中，伺服控制驱动器放置于低温箱外，-45℃低温条件下保温4h，然后启动伺服，通过电机旋变闭环的方式进行30°位置特性试验，试验结果如图4-6。可知，两台电机位置曲线完全重合，电流平稳未见异常，可以判断在低温-45℃条件下，电机可以正常工作，低温未对旋转变压器正常工作造成影响。

 

图4-6伺服电机位置反馈曲线（测试仪显示曲线的照片）

6工艺改进

通过上述验证试验，识别出造成机电作动器异常抖动的主要原因为：线位移板片电阻膜表面存在多余物，该多余物为7014润滑脂，该润滑脂在常温状态下不影响线位移反馈功能，在-45℃低温状态下会导致线位移反馈出现毛刺异常。因此，针对滚珠丝杠副润滑脂涂抹工艺进行改进改变工艺对滚珠丝杠副的清洗流程，由浸泡在酒精进行清洗后重新填充润滑脂更改为不再进行换脂，清洗时使用绸布蘸酒精擦拭丝杠表面。避免由于人工二次换脂造成的润滑脂用量过多和润滑不均匀，保证丝杠在高速旋转运动时不将润滑脂甩到线位移板片上，从根本上解决低温抖动问题。

对工艺改进方案进行验证试验：取两根新的滚珠丝杠副，其中一根按照旧工艺流程进行清洗和换脂，另一根按照新工艺流程进行擦拭，将两根滚珠丝杠副分别装配至两台机电作动器上，进行位置特性、速度特性试验，试验完成后拆开机电作动器线位移，对比使用新旧工艺两台产品线位移上润滑脂飞溅情况。试验结果见下图5-1和5-2。

 

图5-1旧工艺流程的滚珠丝杠配套的线位移板片

 

图5-2新工艺流程的滚珠丝杠配套的线位移板片

通过试验验证，新的工艺流程可以有效避免润滑脂的飞溅，能够有效解决机电作动器低温抖动问题，。

对改进工艺后的第一组20套批生产产品进行检查，全部通过了低温工作试验，随机抽取3台机电作动器拆开线位移后的结果显示，线位移电阻膜上干净整洁，无润滑脂多余物。合格率达到了100%，对该型伺服系统工艺文件进行更改，并对伺相关装配及检测规范进行了修订并发布。

7结论

通过验证试验和分析改进，总结出得出了滚珠丝杠副装配的改进工艺，后续将基于此成果，继续开展关于机电作动器低温性能提升的技术攻关，对滚珠丝杠副增加密封结构，从结构设计上规避润滑脂溢出风险，并深入调研其他高性能低温润滑脂，进一步提升机电作动器环境适应能力。

参考文献

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