CN106374774A - 一种双稳态压电舵机控制机构及控制方法 - Google Patents

一种双稳态压电舵机控制机构及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种双稳态压电舵机控制机构及控制方法，该机构包括底座，固定在底座上的四个扭转单元以及位于每个扭转单元自由端的刚度装置；四个转单元结构相同且位于同一平面内依次间隔90°分布；四个刚度装置结构也相同，均与舵片相连接；扭转单元包括悬臂梁以及黏贴在悬臂梁相对面的压电纤维复合材料作动器；第一刚度装置包括压力簧片和安装于压力簧片内部的轴承或轴瓦；悬臂梁紧配合穿过轴承或轴瓦后使压力簧片产生弹性变形从而压力簧片通过轴承或轴瓦对悬臂梁)产生力的作用从而使其失稳；本发明利用梁的扭转失稳及压电驱动方式，控制实现压电驱动舵机的大范围偏转；并且断电时具有位置保持能力，该机构装配简单，响应迅速，作动精准。

Description

一种双稳态压电舵机控制机构及控制方法
技术领域
本发明属于舵机领域，具体涉及一种双稳态压电舵机控制机构及控制方法。
背景技术
近年来随着航空航天领域的迅速发展，人们对舵机的性能要求越来越高，舵机逐渐向着体积小，质量轻，电磁兼容性强的方向发展。采用液压、气动驱动的舵机控制机构往往存在结构复杂、质量及体积大等缺点。而传统电动舵机则需要加减速装置，而且质量大，电磁兼容性差,容易对航空器导航控制结构造成影响。压电驱动方式具有结构紧凑体积小、位移分辨率及定位精度高、响应速度快、无杂散磁场等优点。但是由于压电材料形变范围较小，导致舵机机构控制范围过小，因此在舵机领域内应用有限。
发明内容
为了解决传统舵机体积质量大，结构复杂，电磁兼容性差的缺点。本发明的目的在于提供一种双稳态压电舵机控制机构及控制方法，利用梁的扭转失稳及压电驱动方式，控制实现压电驱动舵机的大范围偏转；并且断电时具有位置保持能力，该机构装配简单，响应迅速，作动精准。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双稳态压电舵机控制机构，包括底座10，固定在底座10上的第一扭转单元1以及位于第一扭转单元1自由端的第一刚度装置2、第二扭转单元3以及位于第二扭转单元3自由端的第二刚度装置4、第三扭转单元5以及位于第三扭转单元5自由端的第三刚度装置6、第四扭转单元7以及位于第四扭转单元7自由端的第四刚度装置8；所述第一扭转单元1、第二扭转单元3、第三扭转单元5和第四扭转单元7的结构相同且位于同一平面内依次间隔90°分布；所述第一刚度装置2、第二刚度装置4、第三刚度装置6和第四刚度装置8的结构也相同，均与舵片相连接；
所述第一扭转单元1包括悬臂梁1-1以及黏贴在悬臂梁1-1相对面的第一压电纤维复合材料作动器1-2和第二压电纤维复合材料作动器1-3；所述第一刚度装置2包括压力簧片2-1和安装于压力簧片2-1内部的轴承或轴瓦2-2；悬臂梁1-1穿过轴承或轴瓦2-2，轴承或轴瓦2-2的内径小于悬臂梁1-1的宽度，因此当悬臂梁1-1安装于刚度装置2内部后使压力簧片2-1产生弹性变形从而压力簧片2-1通过轴承或轴瓦2-2对悬臂梁1-1产生力的作用从而使其失稳。
四个扭转单元及其自由端的刚度装置均安装于外罩9内，并穿过外罩9与舵片相连接。
上述所述双稳态压电舵机控制机构的控制方法，未通电时，悬臂梁1-1由于受到压力簧片2-1预压力，处于失稳偏转状态一，偏转角度为α；初始状态时，同时对第一压电纤维复合材料作动器1-2和第二压电纤维复合材料作动器1-3施加半满程电压，此时两者相对，作用力相互抵消，悬臂梁1-1保持原失稳状态不变；当需要对舵机进行控制时，对第一压电纤维复合材料作动器1-2施加上升电压，电压升高至最大控制电压，同时对第二压电纤维复合材料作动器1-3施加下降电压，电压下降至最小控制电压，从而使得悬臂梁1-1产生扭转变形从当前失稳偏转状态跳转至另一个失稳偏转状态二，偏转角度为-α；当偏转角度处于-α时，若对第一压电纤维复合材料作动器1-2施加下降电压，电压下降至最小控制电压，同时对第二压电纤维复合材料作动器1-3施加上升电压，电压上升至最大控制电压，从而使得悬臂梁1-1产生扭转变形从当前失稳偏转状态跳转至另一个失稳偏转状态，偏转角度为α。
通过同样方法，第二扭转单元3、第三扭转单元5和第四扭转单元7对舵片进行控制。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明具有断电后位置保持功能。因为由于悬臂梁1-1受到刚度装置2作用后，始终处于两个扭转失稳状态中的一个，即使不通电也始终对外输出偏转角。当断电后位置保持具有降低能耗，而且方便应用的作用，是一般工程应用中常见的需求。
2)本发明通过在悬臂梁上粘贴压电纤维复合材料作动器的方式构成控制机构，不需采用任何液压及气动密封装置，也不需采用减速器，具有结构简单，体积小重量轻的特点。
3)本发明采用压电驱动方式对舵机进行控制，压电驱动方式无杂散磁场，电磁兼容性强，不会对飞行器中导航及其他控制部件产生影响。
附图说明
图1为本发明结构立体图。
图2a为第一扭转单元与第一刚度装置配合示意图。
图2b为第一刚度装置示意图。
图2c为第一扭转单元示意图。
图3a为第一扭转单元失稳状态一示意图。
图3b为第一扭转单元失稳状态一俯视示意图。
图4a为第一扭转单元失稳状态二示意图。
图4b为第一扭转单元失稳状态二俯视示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种双稳态压电舵机控制机构，包括底座10，固定在底座10上的第一扭转单元1以及位于第一扭转单元1自由端的第一刚度装置2、第二扭转单元3以及位于第二扭转单元3自由端的第二刚度装置4、第三扭转单元5以及位于第三扭转单元5自由端的第三刚度装置6、第四扭转单元7以及位于第四扭转单元7自由端的第四刚度装置8；所述第一扭转单元1、第二扭转单元3、第三扭转单元5和第四扭转单元7的结构相同且位于同一平面内依次间隔90°分布；所述第一刚度装置2、第二刚度装置4、第三刚度装置6和第四刚度装置8的结构也相同，均与舵片相连接。
如图2a、图2b和图2c所示，所述第一扭转单元1包括悬臂梁1-1以及黏贴在悬臂梁1-1相对面的第一压电纤维复合材料作动器1-2和第二压电纤维复合材料作动器1-3；所述第一刚度装置2包括压力簧片2-1和安装于压力簧片2-1内部的轴承或轴瓦2-2；悬臂梁1-1穿过轴承或轴瓦2-2，轴承或轴瓦2-2的内径小于悬臂梁1-1的宽度，因此当悬臂梁1-1安装于刚度装置2内部后使压力簧片2-1产生弹性变形从而压力簧片2-1通过轴承或轴瓦2-2对悬臂梁1-1产生力的作用从而使其失稳。失稳之后悬臂梁具有两个稳定状态，即扭转后偏转角度为α或-α。
下面对本发明的作动方法进行详细说明：
未通电时，如图3a和图3b所示，悬臂梁1-1由于受到压力簧片2-1预压力，处于失稳偏转状态一，偏转角度为α；初始状态时，同时对第一压电纤维复合材料作动器1-2和第二压电纤维复合材料作动器1-3施加半满程电压，此时两者相对，作用力相互抵消，悬臂梁1-1保持原失稳状态不变。当需要对舵机进行控制时，对第一压电纤维复合材料作动器1-2施加上升电压，电压升高至最大控制电压，同时对第二压电纤维复合材料作动器1-3施加下降电压，电压下降至最小控制电压，从而使得悬臂梁1-1产生扭转变形从当前失稳偏转状态跳转至另一个失稳偏转状态二，偏转角度为-α(如图4a和图4b所示)。当偏转角度处于-α时，若对第一压电纤维复合材料作动器1-2施加下降电压，电压下降至最小控制电压，同时对第二压电纤维复合材料作动器1-3施加上升电压，电压上升至最大控制电压，从而使得悬臂梁1-1产生扭转变形从当前失稳偏转状态跳转至另一个失稳偏转状态，偏转角度为α。
通过同样方法，第二扭转单元3，第三扭转单元5，第四扭转单元7，可对舵片进行控制。

Claims (3)

1.一种双稳态压电舵机控制机构，其特征在于：包括底座(10)，固定在底座(10)上的第一扭转单元(1)以及位于第一扭转单元(1)自由端的第一刚度装置(2)、第二扭转单元(3)以及位于第二扭转单元(3)自由端的第二刚度装置(4)、第三扭转单元(5)以及位于第三扭转单元(5)自由端的第三刚度装置(6)、第四扭转单元(7)以及位于第四扭转单元(7)自由端的第四刚度装置(8)；所述第一扭转单元(1)、第二扭转单元(3)、第三扭转单元(5)和第四扭转单元(7)的结构相同且位于同一平面内依次间隔90°分布；所述第一刚度装置(2)、第二刚度装置(4)、第三刚度装置(6)和第四刚度装置(8)的结构也相同，均与舵片相连接；
所述第一扭转单元(1)包括悬臂梁(1-1)以及黏贴在悬臂梁(1-1)相对面的第一压电纤维复合材料作动器(1-2)和第二压电纤维复合材料作动器(1-3)；所述第一刚度装置(2)包括压力簧片(2-1)和安装于压力簧片(2-1)内部的轴承或轴瓦(2-2)；悬臂梁(1-1)穿过轴承或轴瓦(2-2)，轴承或轴瓦(2-2)的内径小于悬臂梁(1-1)的宽度，因此当悬臂梁(1-1)安装于刚度装置(2)内部后使压力簧片(2-1)产生弹性变形从而压力簧片(2-1)通过轴承或轴瓦(2-2)对悬臂梁(1-1)产生力的作用从而使其失稳。
2.根据权利要求1所述的一种双稳态压电舵机控制机构，其特征在于：四个扭转单元及其自由端的刚度装置均安装于外罩(9)内，并穿过外罩(9)与舵片相连接。
3.权利要求1所述双稳态压电舵机控制机构的控制方法，其特征在于：未通电时，悬臂梁(1-1)由于受到压力簧片(2-1)预压力，处于失稳偏转状态一，偏转角度为α；初始状态时，同时对第一压电纤维复合材料作动器(1-2)和第二压电纤维复合材料作动器(1-3)施加半满程电压，此时两者相对，作用力相互抵消，悬臂梁(1-1)保持原失稳状态不变；当需要对舵机进行控制时，对第一压电纤维复合材料作动器(1-2)施加上升电压，电压升高至最大控制电压，同时对第二压电纤维复合材料作动器(1-3)施加下降电压，电压下降至最小控制电压，从而使得悬臂梁(1-1)产生扭转变形从当前失稳偏转状态跳转至另一个失稳偏转状态二，偏转角度为-α；当偏转角度处于-α时，若对第一压电纤维复合材料作动器(1-2)施加下降电压，电压下降至最小控制电压，同时对第二压电纤维复合材料作动器(1-3)施加上升电压，电压上升至最大控制电压，从而使得悬臂梁(1-1)产生扭转变形从当前失稳偏转状态跳转至另一个失稳偏转状态，偏转角度为α；
通过同样方法，第二扭转单元(3)、第三扭转单元(5)和第四扭转单元(7)对舵片进行控制。
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