收稿日期：２０２２－０１－１３
基金项目：工信部民用飞机专项科研项目（ＭＪ ２０１７ Ｆ １９）
引用格式：莫胜波，马志 ，
鱼鹏飞，等．大推力高精度智能变距拉杆技术研究［Ｊ］．测控技术，２０２２，４１（１２）：１０１－１０５．ＭＯＳＢ，ＭＡＺＹ，ＹＵＰＦ，ｅｔａｌ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＨｉｇｈＬｏａｄａｎｄＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＳｍａｒｔＰｉｔｃｈＲｏｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２２，４１（１２）：１０１－１０５． 大推力高精度智能变距拉杆技术研究
莫胜波１
，马志 ２
，鱼
鹏飞２
，丁云鹏１
，蔡兴涛１
，汪佳斌１
（１．航空工业兰州飞行控制有限责任公司，甘肃兰州 ７３００７０；２．空军装备部驻兰州地区军事代表室，甘肃兰州 ７３００７０） 摘要：传统的直升机旋翼锥体不平衡调整方法是按照特定程序定期在地面人工测试并微调桨叶拉杆长 度来实现的
，这种方法对人员和设备的要求都较为严苛，且人工和资金成本较高。智能变距拉杆可取代传统机械式的变距拉杆，并配合直升机旋翼实时调整系统实现对直升机椎体的自动在线调整，有效降低了维护成本
，提高了维护效率。智能变距拉杆是直升机旋翼实时调整系统的执行机构，是一种机电一体化的直线智能作动器
，其特点是载荷体积比大、重量轻、精度高。风洞试验结果表明，通过旋翼智能变距拉杆调整旋翼平衡能有效降低旋翼振动水平
，最高降幅５０％。关键词：振动；旋翼椎体；智能变距拉杆；
旋翼平衡调整中图分类号
：Ｖ２４９ １；ＴＰ２３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－８８２９（２０２２）１２－０１０１－０５ｄｏｉ：
１０．１９７０８／ｊ．ｃｋｊｓ．２０２２．０６．２７０ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＨｉｇｈＬｏａｄａｎｄＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＳｍａｒｔＰｉｔｃｈＲｏｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
法兰轴ＭＯＳｈｅｎｇ ｂｏ１牞ＭＡＺｈｉ ｙｕｎ２牞ＹＵＰｅｎｇ ｆｅｉ２牞ＤＩＮＧＹｕｎ ｐｅｎｇ１牞ＣＡＩＸｉｎｇ ｔａｏ１牞ＷＡＮＧＪｉａ ｂｉｎ１
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ＡｉｒＦｏｒｃｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎＬａｎｚｈｏｕ牞Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０牞Ｃｈｉｎａ牘
Ａｂｓｔｒａｃｔ牶Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｒｏｔｏｒｃｏｎｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｓａｐｐｌｉｅｄｂｙｍａｎｕａｌｌｙｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｆｉｎｅａｄ ｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｐｉｔｃｈｌｉｎｋｏｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄｒｅｇｕｌａｒｌｙａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｓｐｅｃｉｆｉｃｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｈａｓｓｔｒｉｃｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｐｅｒｓｏｎｎｅｌａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔ牞ａｎｄｈａｓｈｉｇｈｌａｂｏｒａｎｄｃａｐｉｔａｌｃｏｓｔｓ．Ｔｈｅｓｍａｒｔｐｉｔｃｈｒｏｄｃａｎｒｅｐｌａｃｅｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｉｔｃｈｌｉｎｋｓ牞ａｎｄｗｏｒｋｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｒｏｔｏｒｉｎ ｆｌｉｇｈｔｔｕｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｔｏａ ｃｈｉｅｖｅｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｏｎｌｉｎｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｏｆｔｈｅｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｃｏｎｅ牞ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｃｏｓｔａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅｓｍａｒｔｐｉｔｃｈｒｏｄｉｓｔｈｅａｃｔｕａｔｏｒｏｆｔｈｅｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｒｏｔｏｒｉｎ ｆｌｉｇｈｔｔｕｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔｉｓａｋｉｎｄｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃｌｉｎｅａｒａｃｔｕａｔｏｒ牞
ｗｈｉｃｈｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙｌａｒｇｅｌｏａｄｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏ牞ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｏｔｏｒｖｉｂｒａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｃａｎｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅ ｄｕｃｅｄｂｙ５０％ｂｙａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｒｏｔｏｒｂａｌａｎｃｅｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｍａｒｔｐｉｔｃｈｒｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｖｉｂｒａｔｉｏｎ牷ｒｏｔｏｒｃｏｎｅ牷ｓｍａｒｔｐｉｔｃｈｒｏｄ牷ｒｏｔｏｒｂａｌａｎｃｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ
直升机旋翼诱发的振动会引起乘员产生不适感，使精密仪器精度降低，还会引起某些构件产生疲劳损伤和破坏，直接影响直升机的可靠性和飞行安全［１－２
］。直升机的振动特性是由不旋转坐标系中的谐波激振决定的，一般来说悬停时振动较小，并随前飞而增大［３］。为了降低直升机的振动水平，出现了一种基于智能变
距拉杆（ＳｍａｒｔＰｉｔｃｈＲｏｄ，ＳＰＲ）的旋翼主动减振技术，
通过对直升机旋翼系统实时在线监测，并通过主动式动态控制手段调整变距拉杆长度恢复旋翼系统动平衡状态。目前，国外已经实现智能变距拉杆在关键技术上的突破和产品的研制，并应用在直升机旋翼实时调整
（Ｉｎ ＦｌｉｇｈｔＴｕｎｉｎｇ，ＩＦＴ）系统上，在ＣＨ ５３Ｇ超大型直升机上完成了试验验证［４－９］，如图１所示。在国内，直升机旋翼平衡测量与调整技术领域的研究起步较晚，主要集中在理论研究上［１０－１１］，工程化应用程度不高，也没有研制用于直升机旋翼调整的智能变距拉杆的工程经验。
图１ ＣＨ ５３Ｇ直升机换装ＳＰＲ
智能变距拉杆是机电一体化的数字伺服控制系统，作为直升机旋翼系统实时调整系统的终端执行机构，ＩＦＴ系统通过智能变距拉杆独立调节桨叶迎角，达到降低旋翼１／ｒｅｖ振动的目的。与传统调整方法不同的是，智能变距拉杆不需要调整桨叶配重或后缘调整片，仅通过控制算法自动小幅调整变距拉杆以达到调整旋翼锥体和减振的目的。
智能变距拉杆具有大推力、高精度、智能监测与诊断等特点。在工程实践中发现，伺服系统在低速和高精度工况运行，电机常常会出现走走停停和低速爬行的现象［１２］，其主要原因是传感器精度不足带来的结构性误差和摩擦力等非线性因素的影响。研究人员提出了抑制速度信号噪声的数字滤波法［１３］、状态观测器法［１４］、补偿摩擦力矩的库伦＋粘滞模型［１５］和Ｓｔｒｉ ｂｅｃｋ模型［１６］等摩擦补偿方法，另外还有模糊控制法、神经网络法等智能控制方法用于伺服系统的控制［１７－１８］。
本文针对智能变距拉杆低速和高精度的伺服特点，介绍了可行的技术解决方案，提出了一种带摩擦正反馈补偿的控制方法和由行星滚柱丝杠、力矩限制器以及高精度角度编码器等组成的伺服作动结构。经试验表明，智能变距拉杆的伺服性能达到了ＩＦＴ系统的使用要求。
１ 旋翼平衡实时调整原理
ＩＦＴ系统由智能变距拉杆、旋翼平衡感知单元、集流环、控制单元、人机交互装置和地面维护终端等组成，如图２所示。智能变距拉杆取代了传统机械式变距拉杆，其调整旋翼平衡的原理是ＩＦＴ系统通过对基于光学跟踪的旋翼锥体实时监测，在控制单元内进行实时调整系统控制律计算，最终通过智能变距拉杆调整桨叶桨距，通过空气动力作用使桨叶达到预期的平衡状态。
图２ ＩＦＴ系统组成
智能变距拉杆的控制信号来自于控制单元，通过ＲＳ４８５总线传输。控制单元的控制指令是实时仿真机经最优控制方法解算出的相对位移量（相对于变距拉杆初始零位），智能变距拉杆接收到控制指令后，随即进行伺服控制，并将伺服结果通过另一组ＲＳ４８５总线上传到控制单元中。
２ 智能变距拉杆设计
智能变距拉杆本质是一个电动伺服作动器，是ＩＦＴ系统的末端执行机构。通过细微调整变距拉杆的
长度，调整桨叶迎角，可以达到消除旋翼不平衡状态的目的。
智能变距拉杆作为桨叶和自动倾斜器的连接装置，一方面替代了传统的机械式变距拉杆，实现桨叶的周期变距控制，另一方面集成了有限行程的电动控制功能，实现ＩＦＴ系统对各桨叶桨距的在线微调功能。
由于智能变距拉杆的工作特点，其主要技术特点是载荷大、体积和重量小、超低速、小位移和高控制精度。主要技术指标如表１所示。
表１ 主要技术指标
行程／ｍｍ伺服精度／ｍｍ最大速度／ｍｍ·ｓ－１最大载荷／Ｎ
１．３２０．０１０．１３４０００
智能变距拉杆技术完成的主要研究内容是：①传动机构小型化、机电一体化的结构设计；②高精度、大推力的伺服系统设计。
２．１ 机械及传动结构
变距拉杆的机械传动结构由壳体、传感器（角度编码器）、电机减速器组件、行星滚柱丝杠副和杆端轴承等部分组成，如图３所示。
·
２０１
·《测控技术》２０２２年第４１卷第１２期
图３ 变距拉杆机械传动结构组成
变距拉杆使用行星滚柱丝杠副作为旋转运动转化为直线运动的机械装置，相比于滚珠丝杠和梯形丝杠，其特点是：①承载高，寿命长；②效率高，滚柱丝杠用滚动摩擦代替滑动摩擦，润滑良好的情况下效率可达９０％；③加速、减速的能力好；④振动、噪声较小；⑤
能适应恶劣环境；⑥拆
卸方便［１９
］。针对变距拉杆大载荷和高精度的技术要求，行星滚柱丝杠副是最佳的选择方案。从伺服控制角度
看，行星滚柱丝杠副效率高、摩擦小，改善了低速时摩擦力的非线性影响，有利于实现高精度伺服控制。变距拉杆传动部分的工作原理是：以直流无刷电机为动力源，经直齿减速齿轮减速后，通过行星滚柱丝杠副将旋转运动转化为机构输出轴的直线往复运动，通过机械限位组件保证结构行程不超出安全范围。通过杆端轴承旋转调节实现拉杆长度的手动调整，电机尾部的角度编码器用于电机速度的精确测量，与行星滚柱丝杠副并联的高精度角度编码器实现对位置反馈信号的实时检测。２．２ 控制系统结构智能变距拉杆的指令信号来自于控制单元，通过ＲＳ４８５总线传输。指令信号包含了一组实时变化的拉杆相对长度位置、变距拉杆使能和位置查询的状态；变距拉杆的反馈信息包括了变距拉杆的工作／故障状态和实时伺服位置。变距拉杆控制系统组成如图４所示
led间隔柱
。
图４ 变
距拉杆控制系统组成 智能变距拉杆的特点是低速和高精度，而低速高精度控制一直是个没有很好解决的问题。低速运动时，普遍存在速度波动变大、平稳性降低、控制精度变差和小信号轨迹难以跟踪的问题［２０
］。为了实现对位置的精确伺服，智能变距拉杆采用三环控制方法，将电流、电机速度和输出轴位置引入负反馈中，利用位置反馈实现位置的闭环控制，利用速度限制器实现速度限幅（０．１３ｍｍ／ｓ）和增加系统阻尼，利用电流环实现电流截止负反馈平滑启动的过程。位置控制通过高精度位置信号和引入积分控制器实现高精度控制。电机采用直流无刷伺服电机，控制模式采用脉冲宽度调制（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）速度控制，利用速度编码器测量电机转速，设置了电流环控制，对电机进行电流保护。电机控制的其他匹配参数包括：极限转速限制、变速和延迟参数、最小转速等，经过多组参数的匹配和试验，保证了变距拉杆在额定载荷下的低速伺服的稳定性和精度。此外，为了增加电机速度采样精度，在电机轴上配置了专门用于电机速度闭环控制的角度编码器，提高了电机速度闭环控制的性能。在位置传感器的选择上，根据伺服控制的工程经验，同时考虑到硬件成本，传感器精度一般比控制目标精度高３～４倍
。高精度的线性可变差动变压器（Ｌｉｎ ｅａｒＶａｒｉａｂｌｅＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，
ＬＶＤＴ）或者电位计是位置反馈传感器的最初选择目标，但是目前市场上的高精度ＬＶＤＴ或者电位计均很难满足绝对精度在
０．００５ｍｍ以上的要求，即使光栅和磁传感器等传感器的精度能达到使用要求，但它们的环境适应性不好，很难适应变距拉杆所处的高能振动环境。最终，位置传感器选择了高精度角度编码器，通过丝母与丝杠之间的传动关系间接测量丝杠（输出轴）的位置，这样既可以保证测量精度，同时也保证了较强的环境适应性。根据计算，行星滚柱丝杠副的丝母伺服精度需保证在１．８°以上。选用的高精度绝对式角度编码器，静态精度能达到０．０９８°以上，且具有良好的动态性能，可满足使用要求。绝对式角度编码器采用了以ＲＳ４２２总线硬件为基础的ＳＳＩ（ＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＳｅｒｉａｌＩｎｔｅｒｆａｃｅ，同步串行接口）通信模式，其时序如图５所示。Ｔ为时钟周期，Ｔｒｃ
为数据周期，数据结构中，Ｄ２３
为有效位，Ｄ２２
为零位默认位。编码器有２种零位状态，一种是出厂零位，其零位是固定的；另一种是人工零位，可以根据用户使用需要设定特定位置为零位。Ｄ２１
～Ｄ０
为数据位，Ｄ０
为ＬＳＢ。根据角度编码器的人工零位设置方法，智能变距拉杆自动控制行程标零的过程是先控制电机拖动滚柱丝杠副的丝母运动到机械限位位置，并设置当前位置
·
３０１·大推力高精度智能变距拉杆技术研究
图５
bbzsＳＳＩ
数据时序图
为编码器的人工零位，重新上电后智能变距拉杆的零位被记忆。同时，在位置伺服的控制律中，位置反馈中增加Δ＝ｓ／２（ｓ为机械行程）作为新的位置反馈信号。采用上述方法，大大简化了高精度伺服控制系统的寻
零工作。
２．３ 伺服控制方法电机电枢回路的瞬态方程为Ｕ＝ＣｅΦω＋Ｌａ
ｄｉａ
ｄｔ
＋Ｒａｉａ（１）
式中：Ｃｅ
Φ＝Ｋｅ
为反电势常数；Ｕ为外加电压（Ｖ）；Ｒ
ａ
为电枢内阻（Ω）；Ｌａ
为电感（Ｈ）；ｉａ
为电枢电流瞬时值（Ａ）；ω为电机转速（ｒａｄ／ｓ）。伺服系统的动力学方程为
Ｔｅｍ－ＴＬ－Ｔｆ＝ＪΣ
ｄω
ｄｔ
（２）
式
中：Ｔｅｍ
为电机的电磁转矩（Ｎ·ｍ）；ＪΣ
为系统的总转动惯量（Ｎ·ｍ·ｓ２
）；ＴＬ
为负载转矩；Ｔｆ
为摩擦转矩。式（２）经拉普拉斯变换后，可得：
模压制品
Ｕ－Ｅａ
＝Ｒａ
＋Ｌａ
()ｓＩａ
＝Ｒａ
１＋Ｔａ
()ｓＩａ
（３）Ｔｅｍ
－ＴＬ
－Ｔｆ
＝ＪΣ
ωｓ（４）基于以上关系可建立智能变距拉杆带摩擦正反馈补偿的传递函数模型，如图６所示。
图６ 控制原理框图
考虑到变距拉杆传动比较大，输出轴速度低，有可能因为零件表面粗糙度、装配精度和润滑不良而带来较大的摩擦阻力，在传递函数中加入摩擦正反馈以抵消摩擦力的影响。其原理是根据转速ω和一定的函数关系Ｋｆ
推导出Ｔ′ｆ
，作为估计的摩擦转矩，再通过正向通路传递函数的倒数反馈到速度环控制中，抵消Ｔｆ
的影响。
３
测试结果
为了测试智能变距拉杆的功能和性能，建设了变距拉杆的地面加载测试设备，并在风洞环境下测试了旋翼平衡实时调整的效果。３．１ 静态测试试验结果静态测试试验是在实验室的专用直线加载测试
台上完成的，直线加载测试台分为软件部分、电气部分和机械部分，加载台最大载荷为２５ｋＮ，直线测量精度为０．００５ｍｍ以上。加载测试环境如图７所示。加载控制台和测试软件界面如图８所示。试验按４０００Ｎ的最大载荷对６只智能变距拉杆分别进行了直线加载测试（顺载和逆载），测量结果显示，智能变距拉杆的静态精度达到了０．０１ｍｍ以内，
满足使用要求，如图９所
示。需要说明的是，在高精度、大载荷的情况下，设备的机械接口间隙成为不可忽视的测量误差主要来源。图７ 加载测试环境
图８ 加载控制台和测试软件界面
·
４０１·《测控技术》２０２２年第４１卷第１２期
图９ 顺载４０００Ｎ精度测试结果
为了排除间隙对测量结果的影响，在直线加载试验中首先施加载荷力，待载荷稳定后标定位移点为初始零点，再控制作动器作动并开始测量结果，这样就能排除接口间隙对测量结果的影响。
３．２ 风洞试验结果
在中国直升机设计研究所的低速风洞中对４种不同前飞状态和悬停状态的旋翼平衡调整效果进行了试验，测量了智能拉杆控制前后台体１Ω振动值变化情况，如图１０所示。从图１０中可以看出，对智能拉杆进行位移控制后，能有效降低台体１Ω振动值，且Ｘ、Ｙ、Ｚ３个方向都能降低。在不同状态下，台体１Ω振动值降低在３０％～６７％之间，基本能控制在０ ２ｉｎ／ｓ以内。智能变距拉杆调整对旋翼振动控制的效果十分明显。
图１０ 台体１Ω振动值变化情况
４ 结束语
由地面加载试验结果可知，根据ＩＦＴ系统使用要求设计的旋翼智能变距拉杆的直线伺服精度达到了０．０１ｍｍ，额定推力可达４０００Ｎ，满足使用要求。风洞试验结果表明，通过旋翼智能变距拉杆调整旋翼平衡能有效降低旋翼振动水平，最高降幅５０％。智能变距拉杆的伺服精度与国外先进产品相当，虽然额定载荷不如国外先进产品，但体积和重量较小，载荷体积比和载荷重量比指标均达到国外先进水平。
旋翼智能变距拉杆首次在国内试制成功，并在ＩＦＴ系统上完成了旋翼平衡实时调整试验，验证了Ｉ
ＦＴ系统的有效性和可行性，提升了技术成熟度，为解决直升机锥体不平衡问题提供了新的技术手段，技术成果可用于降低直升机的振动水平，延长旋翼使用寿命。
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１１１页）
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