CN111137437A - 一种双余度电动舵机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双余度电动舵机，属于航空技术领域。该双余度电动舵机包括：差速器，用于两路输入运动合成为预定的单一旋转运动对外输出；第一驱动系统和第二驱动系统，用于分别独立向所述差速器输入旋转运动形式的动力，分别独立采集舵机的工作状态信息，分别独立与上位机进行通信，并通过总线相互监听工作状态。本发明提供了一种可靠性高、体积较小的双余度电动舵机方案。

Description

一种双余度电动舵机

技术领域

本发明属于航空技术领域，具体而言，涉及一种双余度电动舵机。

背景技术

在当前的飞行器平台系统中，广泛采用电动舵机进行舵面及其他伺服机构驱动及控制。其中，采用余度电动舵机是提高可靠性的有效方法。

双余度电动舵机目前大多采用双绕组电机或差速器的原理。双绕组电机一路绕组故障后，其余各路绕组还能继续工作，但该类型电机的生产技术仍未成熟，电机可靠性较差，目前仍无实际应用。各类差速器机构可以有效的避免两路驱动力同时工作时的力纷争，但以往类型的双余度舵机，差速器一般设置于电机之后、减速机构之前，直接承载电机输出转速，微小的动不平衡即可产生巨大的转动惯性力矩，对差速器的设计、加工、装配精度要求较高，难以适应电动舵机频繁启停、正反转的需求，易对舵机的响应、承载能力产生不利影响；差速器往往选用行星差动轮系或行星滚柱丝杠副原理，小尺寸高精度的行星差动轮系和行星滚柱丝杠副生产难度大，难以在批量产品中应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种可靠性高、体积较小的双余度电动舵机方案。

根据本发明的第一方面，提供一种双余度电动舵机，所述双余度电动舵机包括：

差速器，用于两路输入运动合成为预定的单一旋转运动对外输出；

第一驱动系统和第二驱动系统，用于分别独立向所述差速器输入旋转运动形式的动力，分别独立采集舵机的工作状态信息，分别独立与上位机进行通信，并通过总线相互监听工作状态。

进一步的，所述舵机的工作状态信息包括输出角度、系统温度、电机及控制器工作电流、电机驱动电压、控制器内部工作电压信息。

进一步的，所述第一驱动系统包括电机Ⅰ、行星减速器Ⅰ、制动器Ⅰ、位置传感器Ⅰ、控制器Ⅰ。

进一步的，所述第二驱动系统包括电机Ⅱ、行星减速器Ⅱ、制动器Ⅱ、位置传感器Ⅱ、控制器Ⅱ。

进一步的，所述差速器采用锥齿轮差动周转轮系原理，包括输入齿轮Ⅰ、输入齿轮Ⅱ、锥齿轮差动副、输出轴及轴承、轴端挡圈、垫片等配件组成。

进一步的，所述锥齿轮差动副包括直齿轮Ⅰ与中心锥齿轮Ⅰ组合而成的首级中心轮、直齿轮Ⅱ与中心锥齿轮Ⅱ组合而成的末级中心轮、行星锥齿轮Ⅰ、行星锥齿轮Ⅱ以及行星轮轴，首级中心轮与末级中心轮通过轴承固定于输出轴上，行星锥齿轮通过轴承及轴端挡圈固定于行星轮轴上，输出轴一端伸入驱动系统壳体内，穿过行星轮轴中央，另一端伸出减速系统端盖。

进一步的，所述位置传感器Ⅰ、位置传感器Ⅱ安装于输出轴伸入驱动系统壳体一端。

进一步的，所述差速器中的中心轮为直齿轮与锥齿轮组合而成，直齿轮与锥齿轮之间通过四组定位槽组合嵌套而成，通过输出轴上轴承与轴肩配合定位安装；所述差速器中的行星轮为锥齿轮，通过行星轮轴上的轴承与轴端挡圈定位安装；所述差速器中的输出轴与行星轴之间通过一对平键及紧定螺钉固连。

进一步的，所述差速器中的输入齿轮Ⅰ通过紧定螺钉与行星减速器Ⅰ输出轴固连，输入齿轮Ⅱ通过紧定螺钉与行星减速器Ⅱ的输出轴套固连。

进一步的，电机Ⅰ、Ⅱ为直流无刷电机。

进一步的，位置传感器Ⅰ为线绕式电位计，位置传感器Ⅱ为导电塑料式电位计。

进一步的，位置传感器Ⅰ为一端出轴设计，与输出轴通过联轴器相连；位置传感器Ⅱ为空心设计，输出轴穿过其中心孔。

进一步的，控制器Ⅰ、控制器Ⅱ的供电、通信、控制输出相互独立，通过总线分别独立与上位机进行通信，具备相互独立的通信ID，控制器内部整合有温度传感器和电流传感器，并分别采集位置传感器Ⅰ、位置传感器Ⅱ的反馈信号，分别对电机Ⅰ、电机Ⅱ及制动器Ⅰ、制动器Ⅱ进行控制。

进一步的，舵机正常工作时，由控制器Ⅰ驱动第一驱动系统，制动器Ⅱ断电，第二驱动系统处于锁死状态，由第一驱动系统单独驱动舵机输出轴旋转，此时控制器Ⅱ与上位机正常通信，并监听控制器Ⅰ与上位机通信，由此判断控制器Ⅰ的工作状态；当上位机或控制器Ⅰ、控制器Ⅱ判断控制器Ⅰ工作异常，或舵机已不能正常工作时，由控制器Ⅰ主动切断电机Ⅰ、制动器Ⅰ的供电，断开第一驱动系统的驱动能力，或由上位机切断控制器Ⅰ及制动器Ⅰ的供电，强制关闭第一驱动系统；同时，控制器Ⅱ向制动器Ⅱ加电，并驱动电机Ⅱ工作，此时舵机改为由第二驱动系统驱动舵机输出轴旋转。

进一步的，制动器Ⅰ、制动器Ⅱ为失电锁死型制动器，制动位置为电机Ⅰ、电机Ⅱ输出轴，既分别接受控制器Ⅰ、控制器Ⅱ控制，又分别通过上位机的供电通断实现超越控制。

进一步的，除位置传感器Ⅰ、位置传感器Ⅱ的结构区别外，第一驱动系统与第二驱动系统的原理、功能、组成及实现形式无任何区别，所谓的第一驱动系统与第二驱动系统仅是人为约定，二者可随时通过软件更改来互换角色。位置传感器Ⅰ、位置传感器Ⅱ除结构区别外，功能、性能及指标要求均相同，二者亦可随时互换角色。

进一步的，舵机具备加力输出能力，即将第一驱动系统与第二驱动系统同时投入工作，通过差速器的耦合使得输出总扭矩达到或接近第一驱动系统与第二驱动系统的输出扭矩之和。

根据本发明的第二方面，提供一种飞行器平台系统，所述飞行器平台系统采用根据以上任一方面所述的双余度电动舵机进行舵面及其他伺服机构驱动及控制。

本发明的有益效果：

(1)针对双余度电动舵机的关键部件——差速器的设计，采用锥齿轮差动周转轮系原理，避开了小尺寸行星轮系的高精度内齿圈加工、动平衡匹配等难题，锥齿行星轮无需进行本身的动平衡设计，仅保证行星轮组周转时的动平衡即可；同时，由于微型锥齿轮组的加工特点，提高其承载能力往往较之提高其精度更为容易，因此在差速器输入端之前设置行星齿轮减速机构，大幅降低差速器的输入转速，由此可有效降低差动轮系的设计精度要求，同时对其承载能力要求的提高较易满足，因此拓宽了差速器的设计冗余度，易于批量生产实现。

(2)针对双余度电动舵机的系统设计，采用完全双余度设计，除动力输出轴及舵机壳体、框架等固定结构件外，其余部件均采用双余度设计。两组舵机系统的控制、驱动、反馈及通信完全相互独立，当一路控制器彻底失效时，通过供电系统断电仍可实现余度切换。

附图说明

图1示出根据本发明实施例的双余度电动舵机原理图；

图2示出根据本发明实施例的双余度电动舵机结构示意图。

图中：1.输入齿轮Ⅰ 2.直齿轮Ⅰ 3.行星锥齿轮Ⅰ 4.中心锥齿轮Ⅰ 5.行星锥齿轮Ⅱ6.中心锥齿轮Ⅱ 7.输入齿轮Ⅱ 8.直齿轮Ⅱ 9.行星轮轴 10.输出轴 11.联轴器 12.中框101.电机Ⅰ 102.行星减速器Ⅰ 103.制动器Ⅰ 104.控制器Ⅰ 105.位置传感器Ⅰ 201.电机Ⅱ202.行星减速器Ⅱ 203.制动器Ⅱ 204.控制器Ⅱ 205.位置传感器Ⅱ

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步介绍。

根据本发明的双余度电动舵机，包括：

1)一种差速器，用于两路动力输入合成为预定的单一旋转运动对外输出，且任意一路动力输入状态不影响另一路动力输入。参考汽车半轴差速器原理，采用锥齿轮差动周转轮系进行差速器设计，以一对锥齿轮构成行星轮组，通过其自转及公转实现两路输入耦合。

2)完全双余度的舵机控制--驱动系统，分别由电机、行星减速器、制动器、位置传感器、控制器组成相互独立的主、第二驱动系统，分别向差速器输入动力，并可由制动器随时进行动力切断；双余度的位置传感器，直接采集合成后的运动输出；双余度的控制器，对主、第二驱动系统分别进行控制。

实施例

参阅图1，本发明即一种双余度电动舵机，由电机Ⅰ101经由行星减速器Ⅰ102，电机Ⅱ201经由行星减速器Ⅱ202分别独立向差速器输入动力，由制动器Ⅰ103、制动器Ⅱ203分别对电机Ⅰ、电机Ⅱ进行制动，作为余度切换手段；位置传感器Ⅰ104、位置传感器Ⅱ204对差速器合成后的运动输出分别进行位置采集，控制器Ⅰ105、控制器Ⅱ205对电机Ⅰ、电机Ⅱ和制动器Ⅰ、制动器Ⅱ分别进行控制，同时上位机可通过通断电对制动器Ⅰ、制动器Ⅱ进行超越控制。另外，控制器Ⅰ、控制器Ⅱ上分别具备电流及温度采集能力。电机、行星减速器、制动器、控制器与位置传感器均为双组双备份设计，分别组成第一驱动系统和第二驱动系统。

参阅图2，舵机系统分为三种工作状态：

1)第一驱动系统工作状态，制动器Ⅰ103加电松开，制动器Ⅱ203断电锁死，从而使输入齿轮Ⅰ1向锥齿轮差动副输入旋转动力，输入齿轮Ⅱ7处于锁定状态。锥齿轮差动副内，直齿轮Ⅰ2与中心锥齿轮Ⅰ4组合而成的首级中心轮在输入齿轮Ⅰ1的推动下转动，直齿轮Ⅱ8与中心锥齿轮Ⅱ6组合而成的末级中心轮因输入齿轮Ⅱ7锁死而锁死，因此行星锥齿轮Ⅰ3、行星锥齿轮Ⅱ5处于自转与公转结合状态，行星锥齿轮的公转使动力通过行星轮轴9的旋转输出至输出轴。

2)第二驱动系统工作状态，当控制器或上位机探测到第一驱动系统出现故障时，经上位机判决后将舵机切换为第二驱动系统工作。此时制动器Ⅱ203加电松开，制动器Ⅰ103断电锁死，从而使输入齿轮Ⅱ7向锥齿轮差动副输入旋转动力，输入齿轮Ⅰ1处于锁定状态。锥齿轮差动副内，直齿轮Ⅱ8与中心锥齿轮Ⅱ6组合而成的末级中心轮在输入齿轮Ⅱ7的推动下转动，直齿轮Ⅰ2与中心锥齿轮Ⅰ4组合而成的首级中心轮因输入齿轮Ⅰ1锁死而锁死，因此行星锥齿轮Ⅰ3、行星锥齿轮Ⅱ5仍处于自转与公转结合状态，行星锥齿轮的公转使动力通过行星轮轴9的旋转输出至输出轴。

3)加力输出状态。当舵机需要增大输出力矩时，可将第一驱动系统和第二驱动系统同时投入工作。此时制动器Ⅰ103、制动器Ⅱ203加电松开，输入齿轮Ⅰ1、输入齿轮Ⅱ7均向锥齿轮差动副同向输入旋转动力。锥齿轮差动副内，直齿轮Ⅱ8与中心锥齿轮Ⅱ6组合而成的末级中心轮，以及直齿轮Ⅰ2与中心锥齿轮Ⅰ4组合而成的首级中心轮均在各自对应的输入齿轮驱动下转动，理论上首、末级中心轮转速应相同，行星锥齿轮Ⅰ3、行星锥齿轮Ⅱ5处于纯公转状态，行星锥齿轮的公转使动力通过行星轮轴9的旋转输出至输出轴，输出扭矩为两路输入扭矩之和。实际上两级中心轮转速不可避免地存在微小差异，实际输出扭矩会略低。

综上所示，本发明通过合理的差速器结构设计，具备良好的实用性和系统可用性，易于实现批量生产。本发明通过完备的双冗余系统设计，除不可备份的少数零件外，构成舵机的主要部件均实现双冗余备份，使得舵机的可靠性大幅提高，同时具备短时大扭矩输出的能力，提高了舵机适应性。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种双余度电动舵机，其特征在于，所述双余度电动舵机包括：

差速器，用于两路输入运动合成为预定的单一旋转运动对外输出；

第一驱动系统和第二驱动系统，用于分别独立向所述差速器输入旋转运动形式的动力，分别独立采集舵机的工作状态信息，分别独立与上位机进行通信，并通过总线相互监听工作状态。

2.根据权利要求1所述的双余度电动舵机，其特征在于，所述第一驱动系统包括电机Ⅰ、行星减速器Ⅰ、制动器Ⅰ、位置传感器Ⅰ、控制器Ⅰ；所述第二驱动系统包括电机Ⅱ、行星减速器Ⅱ、制动器Ⅱ、位置传感器Ⅱ、控制器Ⅱ。

3.根据权利要求1所述的双余度电动舵机，其特征在于，所述差速器采用锥齿轮差动周转轮系原理，由输入齿轮Ⅰ、输入齿轮Ⅱ、锥齿轮差动副、输出轴及轴承、轴端挡圈、垫片、紧定螺钉组成。

4.根据权利要求3所述的双余度电动舵机，其特征在于，所述锥齿轮差动副包括直齿轮Ⅰ与中心锥齿轮Ⅰ组合而成的首级中心轮、直齿轮Ⅱ与中心锥齿轮Ⅱ组合而成的末级中心轮、行星锥齿轮Ⅰ、行星锥齿轮Ⅱ以及行星轮轴，首级中心轮与末级中心轮通过轴承固定于输出轴上，行星锥齿轮通过轴承及轴端挡圈固定于行星轮轴上，输出轴一端伸入驱动系统壳体内，穿过行星轮轴中央，另一端伸出减速系统端盖。

5.根据权利要求4所述的双余度电动舵机，其特征在于，所述直齿轮Ⅰ与中心锥齿轮Ⅰ以及所述直齿轮Ⅱ与中心锥齿轮Ⅱ之间通过四组定位槽组合嵌套而成，通过输出轴上轴承与轴肩配合定位安装；所述行星锥齿轮Ⅰ、行星锥齿轮Ⅱ通过行星轮轴上的轴承与轴端挡圈定位安装；所述差速器中的输出轴与行星轮轴之间通过一对平键及紧定螺钉固连。

6.根据权利要求3所述的一种双余度电动舵机，其特征在于，所述差速器中的输入齿轮Ⅰ通过紧定螺钉与行星减速器Ⅰ输出轴固连，输入齿轮Ⅱ通过紧定螺钉与行星减速器Ⅱ的输出轴套固连。

7.根据权利要求1所述的一种双余度电动舵机，其特征在于，位置传感器Ⅰ为一端出轴设计，与输出轴通过联轴器相连；位置传感器Ⅱ为空心设计，输出轴穿过其中心孔。

8.根据权利要求2所述的一种双余度电动舵机，其特征在于，控制器Ⅰ、控制器Ⅱ的供电、通信、控制输出相互独立，通过总线分别独立与上位机进行通信，具备相互独立的通信ID，控制器内部整合有温度传感器和电流传感器，并分别采集位置传感器Ⅰ、位置传感器Ⅱ的反馈信号，分别对电机Ⅰ、电机Ⅱ及制动器Ⅰ、制动器Ⅱ进行控制。

9.根据权利要求2所述的一种双余度电动舵机，其特征在于，舵机正常工作时，由控制器Ⅰ驱动第一驱动系统，制动器Ⅱ断电，第二驱动系统处于锁死状态，由第一驱动系统单独驱动舵机输出轴旋转，此时控制器Ⅱ与上位机正常通信，并监听控制器Ⅰ与上位机通信，由此判断控制器Ⅰ的工作状态；当上位机或控制器Ⅰ、控制器Ⅱ判断控制器Ⅰ工作异常，或舵机已不能正常工作时，由控制器Ⅰ主动切断电机Ⅰ、制动器Ⅰ的供电，断开第一驱动系统的驱动能力，或由上位机切断控制器Ⅰ及制动器Ⅰ的供电，强制关闭第一驱动系统；同时，控制器Ⅱ向制动器Ⅱ加电，并驱动电机Ⅱ工作，此时舵机改为由第二驱动系统驱动舵机输出轴旋转。

10.根据权利要求2所述的一种双余度电动舵机，其特征在于，制动器Ⅰ、制动器Ⅱ为失电锁死型制动器，制动位置为电机Ⅰ、电机Ⅱ输出轴，既分别接受控制器Ⅰ、控制器Ⅱ控制，又分别通过上位机的供电通断实现超越控制。

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