CN106982004B - 一种压电陶瓷作动器舵机伺服机构和舵机伺服方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种压电陶瓷作动器舵机伺服机构和舵机伺服方法，其克服了传统的电机舵机响应速度有限，特别是在负载情况下响应频率下降明显的问题。采用压电陶瓷作动器带动舵机工作，其响应速度大大提高，能够满足高频响应下的气动弹性控制，为舵机伺服的颤振抑制提供了一种新的解决方案，具有好的应用前景。
Description
技术领域
本设计涉及一种压电陶瓷作动器舵机伺服机构和舵机伺服方法。
背景技术
目前广泛应用在无人飞行器上的舵机，在较大的响应幅度下其响应频率难以满足飞机的稳定性控制需求。传统的无人飞行器舵机采用电机带动，其响应频率和电压正相关，与载荷负相关。当高速飞行时，飞行器的机翼容易产生不良的气动弹性现象，比如颤振问题，其解决方法是利用舵面进行颤振抑制。而高速飞行会使舵面的载荷增大，如果超过传统舵机的工作区间，响应频率便大大减小，无法实现合理的气动弹性伺服控制。
发明内容
本发明提供了一种压电陶瓷作动器舵机伺服机构，其提高了舵机伺服的响应速度和控制频率。压电陶瓷舵机输入不同的电压会输出不同的微小位移，利用一套机械放大机构能够放大位移，并把位移信号转化为扭转信号，输出扭转信号便可以带动舵面转动。压电陶瓷作动器能迅速将电信号转变为位移信号，因此舵机伺服的最大工作频率取决于压电陶瓷作动器的工作频率，其工作频率比电机驱动的舵机高，因此可以提高响应速度和控制频率。
根据本发明的一个方面，提供了一种压电陶瓷作动器舵机伺服机构，其特征在于包括：
压电作动器，用于把电信号转化为位移信号，
连杆，其一端与压电作动器相连，其另一端与舵机的舵面相连，用于放大压电作动器的位移，并把该位移的信号转化为驱动舵面的转动信号。
根据本发明的一个进一步的方面，提供了带有上述的压电陶瓷作动器舵机伺服机构的舵机，其特征在于进一步包括上述舵面。
根据本发明的一个进一步的方面，提供了上述的压电陶瓷作动器舵机伺服机构的舵机伺服方法，其特征在于包括：
给压电作动器输入电信号，输入的电信号不同则压电作动器的伸长量不同，
通过连杆把压电作动器的运动传递至舵面，引起舵面的偏转。
本发明的有益效果包括：
克服了传统的电机舵机响应速度有限，特别是在负载情况下响应频率下降明显的问题；提高了舵机伺服机构的控制频率，使舵机控制的舵面有更高的响应速度，能够满足高频响应下的气动弹性控制，为舵机伺服的颤振抑制提供了一种新的解决方案，为快速机动和控制提供了一种新的解决方法，具有好的应用前景。当压电作动器纵向变形达到最大时，压电舵机的舵面能达到±12.5°的偏转角。
附图说明
图1是带有根据本发明的一个实施例的压电陶瓷作动器舵机伺服机构的压电舵机的轴测图。
图2是如图1所示的压电舵机的俯视图。
图3是如图1所示的压电舵机的侧视图。
附图标记：
1—舵面；2—连杆；3—底座；4—压电作动器；5—支架。
具体实施方式
针对现有技术无人飞行器上的舵机难以实现合理的气动弹性伺服控制的问题，本发明人进行了研究；本发明人考虑到，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。压电陶瓷材料化学性质稳定，不受潮湿和其它大气条件的影响，而且压电陶瓷可做成任何形状和大小，其极化方向可自由选择，具有很强的适应性。由于材料非常坚硬，所以具有很大的承载能力。压电陶瓷已经广泛应用于高精度光电仪器，微小型机器人等领域，其控制精度达到纳米级别。
在考虑到压电材料作动频率和出力特性的基础上，本发明进行了试验，尝试以压电作动器为伺服机构来实现操纵舵面的控制，以期提高现有舵机的响应速度和控制频率。
经过本发明人的上述努力，获得了一种压电陶瓷作动器舵机伺服机构。
利用压电陶瓷作动器设计的舵机，舵机的工作频率取决于压电陶瓷作动器的工作频率。由于压电陶瓷作动器的工作频率能达到上百赫兹，远大于传统压电舵机的工作频率(50赫兹以内)，所以压电陶瓷作动器舵机伺服机构在高速无人机气动弹性伺服控制有良好的应用前景。
以下结合附图和非限定性的实施例，对根据本发明的压电陶瓷作动器舵机伺服机构进行描述。
在图1－3所示的带有根据本发明的压电陶瓷作动器舵机伺服机构的压电舵机中，压电作动器4是压电舵机的核心部分，其把电信号转化为位移信号，连杆2是放大机构的主要部分，除了放大压电作动器4产生的微小位移，同时把该微小位移的信号转化为转动信号，舵面1是压电舵机的工作部分，底座3和支架5是压电机构的固定部分。根据本发明的一个实施例，所有转动副均采用铰链传动，支架5与底座3的连接是采用螺钉螺母(未显示)夹紧。底座开槽(未显示)略大于螺钉直径，安装精度通过实验测试调整保证。
放大机构放大位移的过程：若在初始位置时，舵面1偏转角为零，压电作动器4和连杆2的结构对称线位于同一直线上，当压电作动器4伸长时，通过三角形放大，产生一个比较大的垂直于压电作动器4结构对称线的位移。例如，在一个实际应用例中，当压电陶瓷作动器4的长度为50毫米时，如果压电作动器4伸长5微米，放大机构能产生大约0.5毫米的垂直位移。
压电作动器4带有导线(未显示)以输入电信号，输入电压不同则压电作动器的伸长量不同，压电陶瓷作动器舵机伺服机构把运动传递至舵面1，引起舵面1的偏转。舵面1处于基准位置时，压电陶瓷作动器舵机伺服机构处于死点位置，压电作动器4输入的电压为0。为使舵面1偏离基准位置达到某一个偏转角，两个压电作动器4中的一个首先输入电压，压电陶瓷作动器舵机伺服机构偏离死点位置，舵面1偏转，此时再输入所需偏转角对应的电压值，就能使舵面1偏转达到所需的偏转角。
为了保证加工精度，所有零件采用高精度机加工方式。
Claims (1)
1.基于一种压电陶瓷作动器舵机伺服机构的舵机伺服方法，所述压电陶瓷作动器舵机伺服机构包括：
两个压电作动器(4)、连杆(2)、具有舵面(1)的舵机，
其特征在于包括：
给压电作动器(4)输入电信号，使压电作动器(4)产生平动位移，输入的电信号不同则压电作动器(4)的平动位移量不同，
用连杆(2)把压电作动器(4)的运动传递至舵面(1)，引起舵面(1)的垂直于压电作动器(4)结构对称线的偏转位移，
其中：
当压电作动器(4)产生平动位移时，通过连杆(2)的三角形的放大，产生放大的偏转位移，
当舵面(1)处于基准位置且压电陶瓷作动器舵机伺服机构处于死点位置时，为使舵面(1)偏离基准位置达到某一个偏转角，先给两个压电作动器(4)中的一个输入电信号，使压电陶瓷作动器舵机伺服机构偏离死点位置且舵面(1)偏转，再输入与所需偏转角对应的电信号，使舵面(1)偏转达到所需的偏转角。
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