CN113212736B - 一种薄型大减速比微小型电动舵机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，包括舵机控制器和舵机两部分。所述的电动舵机系统包含m只舵机(m≥2)，每只舵机均由直流有刷或无刷电机，经n级直齿齿轮传动减速，再经蜗轮蜗杆组件减速，将电机的旋转运动转化为蜗轮蜗杆组件的旋转运动，使舵轴输出摆角，而后经舵轴的摆角输出齿轮与有限转角齿轮啮合，并通过安装在有限转角齿轮上的电位器，反馈舵机的角位置/角速度信号，通过导线传输给舵机控制器中的数字控制板，形成舵机系统闭环控制。本发明具有重量轻、输出轴向薄、减速比大、额定负载扭矩大等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，属于微小型电动舵机系统技术领域。
背景技术
电动舵机系统作为飞行器控制系统的执行机构，其性能优劣直接影响飞行试验的成败。电动舵机系统通常应用于制导炸弹末制导、无人机等飞行器的姿态控制中。电动舵机系统是利用其控制系统驱动舵面偏转来实现制导炸弹或无人机飞行器的姿态控制，其性能直接影响制导炸弹的技术指标。舵机系统实际上是一种高精度的位置伺服控制系统，其工作原理是接受上位机给出的控制信号，经功率放大驱动舵机动作，通过控制舵机来操纵飞行器舵面的偏转，从而调整飞行器的飞行姿态和飞行轨迹，最终确保飞行器能够按照预定的轨迹飞行和打击给定的战术目标。
随着制导炸弹和无人机等飞行器的小型化和高精度发展需求，对电动舵机的空间尺寸限制越来越严格，尤其对舵机输出轴向的尺寸要求较高。这是由于制导炸弹等飞行器均为沿弹轴方向的细长结构，在小圆筒内布置4只以上舵机，电动舵机均垂直于弹轴方向放置，同时弹体内部还要放置发动机喷管、电池等部件，希望轴向尺寸越薄越好。因此，电动舵机输出轴向尺寸薄成为了一种重要的空间要求，但是现有的电动舵机的结构布局难以满足要求。
同时现有的电动舵机控制器还有很多不足。首先，现有的舵机控制器普遍的控制流程整个流程采用顺序执行的方式，对于控制多路舵机，其运算速度有限，占用资源多，工作不可靠。此外，在现有的控制器中，由于上位机传来的舵机偏角指令信号频率比较低，通常在几百赫兹，而舵机的电流采样频率通常较高，电流环带宽通常较大，上位机传来的舵机偏角指令信号中含有丰富的速度和电流冲击分量，将会使舵机在实际控制中出现速度波动和较大的电流过程，因此舵机的稳定性差，增加舵机的功耗。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，实现了对电机的闭环控制，整个舵机系统结构紧凑、灵敏度高、额定负载大、力矩干扰小、低速大转矩、控制精度高、布线方便、结构紧凑。
本发明解决的技术方案为：一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，包括：舵机控制器和m只舵机；
舵机包括壳体(1)、1个电机(2)、n级直齿齿轮(3)、蜗轮蜗杆组件(4)、舵轴(5)、输出摆角齿轮(5-1)、有限转角齿轮(6)以及电位器(7)；
舵机控制器，能够控制电机(2)和电位器(7)工作；
电机(2)安装在壳体(1)的一端，电机(2)的输出端伸入壳体(1)内；
n级直齿齿轮(3)安装在壳体(1)内，靠近电机(2)的一端；
n级直齿齿轮(3)，包括：输入级齿轮(3-1)与输出级齿轮(3-2)；
蜗杆组件(4)，包括：蜗杆(4-1)和蜗轮(4-2)；
n级直齿齿轮(3)的输入级齿轮(3-1)套在在电机(2)输出端上，n级直齿齿轮(3)的输出级齿轮(3-2)套在蜗杆组件(4)的蜗杆(4-1)端部，蜗杆组件(4)的蜗轮(4-2)套在舵轴(5)上；
输出摆角齿轮(5-1)套在舵轴(5)上；有限转角齿轮(6)的齿轮轴固定在壳体上，有限转角齿轮(6)与输出摆角齿轮(5-1)啮合；
有限转角齿轮(6)为扇形齿轮，能够转动有限角度(小于360度)；
电位器(7)，包括：定子和转子；转子固定在有限转角齿轮(6)的齿轮轴上；定子与壳体固连；由定子和转子配合，通过获得有限转角齿轮(6)的摆角，实现检测舵轴(5)的输出摆角；
电机(2)的输出，经n级直齿齿轮(3)传动减速，再经蜗轮蜗杆组件(4)减速，将电机的旋转运动转化为蜗轮蜗杆组件(4)的旋转运动，电机(2)的输出端的旋转轴与舵轴(5)的旋转方向实现90°垂直换向，舵轴(5)与舵片固连，输出所需的角位置和角速度。
优选的，壳体(1)包括1个底板(1-1)、1个舵壳(1-2)、1个盖板(1-3)和1个压板(1-4)；
舵壳(1-2)的一侧与底板(1-1)固连；盖板(1-3)盖在舵壳(1-2)上；
底板(1-1)一侧中部具有一个用于安装电机(2)的凹槽(1-1-1)；
n级直齿齿轮(3)，包括：输入级齿轮(3-1)与输出级齿轮(3-2)；
蜗杆组件(4)，包括：蜗杆(4-1)和蜗轮(4-2)；
舵壳(1-2)设置2个齿轮室，分别为第一齿轮室(1-2-1)、第二齿轮室(1-2-2)、蜗杆安装孔(1-2-3)、舵轴(5)的安装孔(1-2-4)和摆角齿轮安装孔(1-2-5)；
第一齿轮室(1-2-1)内部放置n级直齿齿轮(3)；第二齿轮室(1-2-2)内部放置蜗轮蜗杆组件(4)的蜗轮(4-2)；蜗杆(4-1)位于蜗杆安装孔(1-2-3)的内部；蜗轮(4-2)与蜗杆(4-1)啮合，蜗轮(4-2)套在舵轴(5)上；舵轴(5)位于安装孔(1-2-4)的内部；输出摆角齿轮(5-1)套在舵轴(5)上，有限转角齿轮(6)与输出摆角齿轮(5-1)啮合，有限转角齿轮(6)与输出摆角齿轮(5-1)共同实现间接输出舵偏角；有限转角齿轮(6)位于摆角齿轮安装孔(1-2-5)内部；
压板(1-4)压盖在蜗杆安装孔(1-2-5)上。
优选的，所述的电动舵机系统的最小长方体包络在输出轴向的厚度为10～30mm以内；所述的电机(2)为直流有刷或无刷电机，且为空心杯电机，直径在10～30mm以内。
优选的，所述的电动舵机系统的重量在150g以内。
优选的，所述的舵壳(1-2)上的蜗杆安装孔为一大一小两个孔，蜗杆的轴向由压板(1-4)预紧固定支撑。
优选的，蜗轮(4-2)与舵轴(5)同轴，且是分体或一体结构。
优选的，壳体(1)上还包括压环，有限转角齿轮(6)的齿轮轴上只装有一个轴承，压环将轴承固定在壳体(1)上，该轴承为径向轴承或轴向推力轴承。
优选的，所述的电动舵机系统采用了蜗轮蜗杆传动，电动舵机系统减速比可达500～1000。
优选的，所述的电动舵机的蜗轮和蜗杆布置位置可以更换，即蜗轮布置在蜗杆的左边或右边，蜗轮布置在蜗杆的左边的电动舵机系统与蜗轮布置在蜗杆的右边的电动舵机系统，能够实现对称结构的2个电动舵机系统。
优选的，舵机控制器与舵机，位于飞行器舵舱中，舵机控制器与电机(2)和电位器(7)通过导线连接；所述的舵机控制器包括电源板、数字控制板和两块驱动板；电源板用于为舵机控制器供电，每个舵机控制器能够连接m个电机(2)，每个驱动板驱动两个以上电机，数字控制板接收外部总体控制信号，从总体控制信号中获取所需舵偏角θ，电位器(7)采集舵轴(5)的角位置，根据所需舵偏角θ和舵轴(5)的角位置，在舵机控制器算法模块中进行位置环PID运算，根据位置偏差算出位置环调节输出量，将舵机位置环调节输出量控制信号送入舵机驱动控制模块处理，形成PWM控制信号，再经三相桥驱动芯片和功率MOSFET，将PWM驱动信号放大，转换为功率MOSFET的栅极驱动信号，输出三相桥驱动信号驱动舵机转动，通过驱动板驱动对应的电机摆动舵轴。
优选的，舵机控制器包括电源模块、数字控制模块和驱动模块，数字控制模块中还包括：轨迹生成模块，轨迹生成模块接收上位机传来的舵机偏角指令信号，对舵机偏角指令信号进行平滑处理和整形；所述轨迹生成模块对舵机偏角指令信号进行平滑处理和整形的过程为：对舵机偏角指令信号以上位机的发送频率计算出舵机位置轨迹的离散速度信号和离散加速度信号，并分别限制其最大值；以舵机算法模块的运算频率对加速度信号进行积分，得到某时刻的一次积分后的速度值；将一次积分后的速度值和该时刻离散速度信号的速度值分别与上一时刻的速度值做差；取与上一时刻的速度值做差的差值绝对值较小的速度值作为这一时刻的比较后的速度值；对比较后的速度进行积分，得到处理后的舵机偏角指令信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用了蜗杆传动技术方案，并结合有限转角齿轮传动，实现了小空间内的大减速比，使该舵机的减速比高达500～1000。使得本发明的一种薄型大减速比微小型电动舵机，实现了大弯矩扭矩的静态指标。在满足大弯扭条件下，舵机输出轴向尺寸极薄，在10mm～30mm以内。
(2)本发明将蜗杆传动放在舵机减速器的输出级，而非电机端的输入级，避免了电机轴向受力过大而损坏的风险，并解决了舵机弯扭大而使舵机寿命短的问题。
(3)本发明的一种薄型大减速比微小型电动舵机，单只舵机重量较轻，在150g以下。
(4)本发明采用有限转角齿轮传动，间接输出舵偏信号，解决了舵机输出轴向尺寸小，无法布置测角电位器的问题。
(5)本发明将蜗轮蜗杆传动放在舵机传动中的输出级，并采用大小轴承使蜗杆双向固支，既解决了蜗杆传动轴向力大的问题，又便于机械加工。
(6)本发明可以将蜗轮布置在蜗杆的左边或右边，从而获得对称的两只电动舵机，应用于无人机等对称布置的飞行器结构中。
(7)本发明从舵机结构考虑低摩擦，小惯量设计，选用低功耗器件，合理布局布线，实现了舵机系统的低功耗控制。并采用串并结合的模式，在舵机算法模块部分对多路舵机的控制进行串行运算，在其他模块中分别对多路舵机进行并行控制，大大节省了资源的消耗，提高了运算和控制速度，同时也保证了各路舵机控制性能。
(8)本发明的舵机控制器的数字控制板中轨迹生成模块，对上位机传来的信号频率较低的舵机偏角指令信号进行处理，避免较大的速度波动和电流过程，提高了舵机控制的稳定性。
附图说明
图1为舵机在制导炸弹中的布局图；
图2为本发明的电动舵机系统组成框图；
图3为本发明中薄型大减速比微小型电动舵机系统的工作原理图；
图4为本发明的薄型大减速比微小型电动舵机的机械结构示意图；
图5为本发明的舵机壳体结构示意图；
图6为本发明的舵壳结构示意图；
图7为本发明的薄型大减速比微小型电动舵机系统的控制逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，包括舵机控制器和舵机两部分。所述的电动舵机系统包含m只舵机(m≥2)，每只舵机均由直流有刷或无刷电机，经n级直齿齿轮传动减速，再经蜗轮蜗杆组件减速，将电机的旋转运动转化为蜗轮蜗杆组件的旋转运动，使舵轴输出摆角，而后经舵轴的摆角输出齿轮与有限转角齿轮啮合，并通过安装在有限转角齿轮上的电位器，反馈舵机的角位置/角速度信号，通过导线传输给舵机控制器中的数字控制板，形成舵机系统闭环控制。本发明具有重量轻、输出轴向薄、减速比大、额定负载扭矩大等特点。
本发明的一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，应用于制导炸弹、无人机等小型化飞行器中。优选应用在，空-空导弹、巡飞弹等制导炸弹，如图1所示，其外形为圆柱形舱体(10-1)，舱体内外径分别为Φ1、Φ2(Φ1在200mm以下)，内部通常还需要布置1个或多个发动机喷管(10-2)，喷管直径为Φ3，则给舵机(10-3)预留的轴向尺寸空间H非常小(H在10～30mm之间)，这种情况下只有采用本发明的方案，才能解决轴向尺寸薄、弯矩/扭矩大的舵机关键设计问题，从而实现制导弹药的小型化设计。另外，在无人机、无人直升机，以及宽域飞行器等飞行器产品中，需要在狭小空间内布置舵机，特别是布置对称的舵机时，也只有采用本发明，才能使得无人机副翼结构易于布置，并实现舵机结构对称性和性能的一致性。
如何实现极薄的舵机轴向空间结构布局，并且满足舵机大负载扭矩、高精度稳定控制要求，是本领域亟待解决的技术问题。本发明的一种薄型大减速比微小型电动舵机系统组成，如图2所示。电动舵机系统主要由舵机控制器和m只舵机(m≥2)及连接线缆组成组成。每只舵机又由驱动电机、减速器、位置反馈电位器、舵轴等组成。电动舵机系统可选配电动电动舵机舱体以及舵片等。其主要功能为接收弹载或机载计算机的控制指令，经舵机控制器伺服放大后，通过舵机输出舵偏角，操纵飞行器的舵片摆动，输出飞行器所需的舵偏角、角速度和转矩。
本发明一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，其工作原理如图3所示，舵机控制器接收弹载控制器要求的总体控制指标，经数字控制板，与电位器检测的角位置和角速度信号进行比较做差。计算出控制信号，输出给电动舵机的直流电机，经n级直齿齿轮传动减速，再经蜗轮蜗杆组件减速，使舵轴输出摆角，而后经舵轴的摆角输出齿轮与有限转角齿轮啮合，并通过安装在有限转角齿轮上的电位器，反馈舵机的角位置/角速度信号，通过导线传输给舵机控制器中的数字控制板，形成舵机系统闭环控制。本发明具有重量轻、输出轴向薄、减速比大、额定负载扭矩大等特点。
本发明一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，包括：舵机控制器和舵机；
舵机的机械结构示意图，如图4所示，包括壳体(1)、1个电机(2)、n级直齿齿轮(3)、蜗轮蜗杆组件(4)、舵轴(5)、有限转角齿轮(6)以及电位器(7)、输出摆角齿轮(5-1)；
舵机控制器，包括电源模块、数字控制模块和驱动模块，能够控制电机(2)和电位器(7)工作；
电机(2)安装在壳体(1)的一端，电机(2)的输出端伸入壳体(1)内；
n级直齿齿轮(3)安装在壳体(1)内，靠近电机(2)的一端；
n级直齿齿轮(3)，包括：输入级齿轮(3-1)与输出级齿轮(3-2)；
蜗杆组件(4)，包括：蜗杆(4-1)和蜗轮(4-2)；
n级直齿齿轮(3)的输入级齿轮(3-1)套在在电机(2)输出端上，n级直齿齿轮(3)的输出级齿轮(3-2)套在蜗杆组件(4)的蜗杆(4-1)端部，蜗杆组件(4)的蜗轮(4-2)套在舵轴(5)上；
输出摆角齿轮(5-1)套在舵轴(5)上；有限转角齿轮(6)的齿轮轴固定在壳体上，有限转角齿轮(6)与输出摆角齿轮(5-1)啮合；
有限转角齿轮(6)为扇形齿轮，能够转动有限角度(小于360度)；
电位器(7)，包括：定子和转子；转子固定在有限转角齿轮(6)的齿轮轴上；定子与壳体固连；由定子和转子配合，通过获得有限转角齿轮(6)的摆角，实现检测舵轴(5)的输出摆角；
电机(2)的输出，经n级直齿齿轮(3)传动减速，再经蜗轮蜗杆组件(4)减速，将电机的旋转运动转化为蜗轮蜗杆组件(4)的旋转运动，电机(2)的输出端的旋转轴与舵轴(5)的旋转方向实现90°垂直换向，舵轴(5)输出所需的转速的转矩。
优选方案为：舵机壳体的结构示意图，如图5所示，壳体(1)由多个零件组成，包括1个底板(1-1)、1个舵壳(1-2)、1个盖板(1-3)和1个压板(1-4)；
舵壳的结构示意图，如图6所示，舵壳(1-2)的一侧与底板(1-1)固连；盖板(1-3)盖在舵壳(1-2)上；
底板(1-1)一侧中部具有一个用于安装电机(2)的凹槽(1-1-1)；
n级直齿齿轮(3)，包括：输入级齿轮(3-1)与输出级齿轮(3-2)；
蜗杆组件(4)，包括：蜗杆(4-1)和蜗轮(4-2)；
舵壳(1-2)设置2个齿轮室，分别为第一齿轮室(1-2-1)、第二齿轮室(1-2-2)、蜗杆安装孔(1-2-3)、舵轴(5)的安装孔(1-2-4)和摆角齿轮安装孔(1-2-5)；
第一齿轮室(1-2-1)内部放置n级直齿齿轮(3)；第二齿轮室(1-2-2)内部放置蜗轮蜗杆组件(4)的蜗轮(4-2)；蜗杆(4-1)位于蜗杆安装孔(1-2-3)的内部；蜗轮(4-2)与蜗杆(4-1)啮合，蜗轮(4-2)套在舵轴(5)上；舵轴(5)位于安装孔(1-2-4)的内部；输出摆角齿轮(5-1)套在舵轴(5)上，有限转角齿轮(6)与输出摆角齿轮(5-1)啮合，有限转角齿轮(6)与输出摆角齿轮(5-1)共同实现间接输出舵偏角；有限转角齿轮(6)位于摆角齿轮安装孔(1-2-5)内部；
压板(1-4)压盖在蜗杆安装孔(1-2-5)上。
优选方案为：所述的电动舵机系统的最小长方体包络在输出轴向的厚度为10～30mm以内。所述的电机(2)为直流有刷或无刷电机，且为空心杯电机，直径在10～30mm以内。
优选方案为：所述的电动舵机系统的重量在150g以内。
优选方案为：所述的舵壳(1-2)上的蜗杆安装孔为一大一小两个孔(1-2-1、1-2-2)，蜗杆的轴向由压板(1-4)预紧固定支撑。
优选方案为：蜗轮(4-2)与舵轴(5)同轴，且是分体或一体结构。
优选方案为：壳体(1)上还包括压环，有限转角齿轮(6)的齿轮轴上只装有一个轴承，压环将轴承固定在壳体(1)上，该轴承为径向轴承或轴向推力轴承。有限转角齿轮与轴承的内圈，由挡圈或压板固连。这种有限转角齿轮的安装方式，即可节省轴向空间，又可限制齿轮轴向窜动对电位器的影响。
优选方案为：所述的电动舵机系统采用了蜗轮蜗杆传动，电动舵机系统减速比可达500～1000。
优选方案为：所述的电动舵机的蜗轮和蜗杆布置位置可以更换，即蜗轮布置在蜗杆的左边或右边，蜗轮布置在蜗杆的左边的电动舵机系统与蜗轮布置在蜗杆的右边的电动舵机系统，能够实现对称结构的2个电动舵机系统。
优选方案为：舵机控制器与舵机，位于飞行器设备壳体中，与电机(2)和电位器(7)通过导线连接；所述的舵机控制器包括电源板、数字控制板和两块驱动板；电源板用于为舵机控制器供电，每个舵机控制器能够连接多个电机(2)，每个驱动板驱动两个以上电机，数字控制板接收外部总体控制信号，从总体控制信号中获取所需舵偏角θ，电位器(7)采集舵轴(5)的角位置，根据所需舵偏角θ和舵轴(5)的角位置，在舵机控制器算法模块中进行位置环PID运算，根据位置偏差算出位置环调节输出量，将舵机位置环调节输出量控制信号送入舵机驱动控制模块处理，形成PWM控制信号，再经三相桥驱动芯片和功率MOSFET，将PWM驱动信号放大，转换为功率MOSFET的栅极驱动信号，输出三相桥驱动信号驱动舵机转动，通过驱动板驱动对应的电机摆动舵轴。
优选方案为：舵机控制器还包括轨迹生成模块，轨迹生成模块接收上位机传来的舵机偏角指令信号，对舵机偏角指令信号进行平滑处理和整形。所述轨迹生成模块对舵机偏角指令信号进行平滑处理和整形的过程为：对舵机偏角指令信号以上位机的发送频率计算出舵机位置轨迹的离散速度信号和离散加速度信号，并分别限制其最大值；以舵机算法模块的运算频率对加速度信号进行积分，得到某时刻的一次积分后的速度值；将一次积分后的速度值和该时刻离散速度信号的速度值分别与上一时刻的速度值做差；取与上一时刻的速度值做差的差值绝对值较小的速度值作为这一时刻的比较后的速度值；对比较后的速度进行积分，得到处理后的舵机偏角指令信号。
本发明的舵机系统中，壳体(1)，优选方案具体为：一个含有多个轴承孔的薄壳空腔形结构。沿舵机输出轴向的尺寸仅为10～30mm。材质为铝合金、钢或钛合金。
1个电机(2)，优选方案具体为：直流有刷或直流无刷空心杯电机。电机外径尺寸仅为10～30mm。可采用电机端串联电感的方式增加电感量，用于在闭环控制回路中降低电机的发热，使整个电路的阻抗匹配。
n级直齿齿轮(3)，优选方案具体为：输入级和输出级齿轮均为单个直齿轮，与其啮合的下一级齿轮及后续各级齿轮，均为套有一个直齿轮的直齿轮轴。各级齿轮均为小模数齿轮，模数在0.15～0.4之间。材质为40Cr或其他合金结构钢，并进行调质处理。
蜗轮蜗杆组件(4)，优选方案具体为：蜗杆为一个带有螺旋齿形的阶梯轴；蜗轮为一个扇形结构。蜗轮蜗杆均为小模数蜗杆，蜗轮蜗杆的模数为0.3～1之间。蜗杆的材质为40Cr等合金结构钢，并进行调质处理；蜗轮的材质为QSn6.5-0.1或ZCuSn10P1等青铜。
舵轴(5)，优选方案具体为：一个阶梯轴。阶梯轴的同轴度要求在0.02mm以内。材质为40Cr或其他合金结构钢，并进行调质处理。
有限转角齿轮(6)，优选方案具体为：一个扇形直齿轮结构。为小模数齿轮，模数在0.15～0.4之间。材质为40Cr或其他合金结构钢，并进行调质处理。
电位器(7)，优选方案具体为：一个角度传感器，利用电刷在电阻膜片上滑动产生的电压变化来检测角度。形状为带固定法兰的圆柱，转子突出圆柱表面，与被测物体固连，固连方式可采用软连接或硬链接。
输出摆角齿轮(5-1)，优选方案具体为：一个具有与有限转角齿轮相同模数的直齿轮。轴向尺寸较薄，在0.3～1.5mm之间。材质为40Cr或其他合金结构钢，并进行调质处理。
如图7所示为本发明的薄型大减速比微小型电动舵机系统的控制逻辑示意图。
本发明的一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，采用了蜗杆传动技术方案，单级蜗杆传动的减速比是纯直齿传动的10倍以上；谐波减速器或滚珠丝杠的传动比较大，但无法布置在10～30mm的狭小轴向空间内。因此，采用蜗杆传动的技术方案，实现了小空间内的大减速比，使该舵机的减速比高达500～1000。此外，若按照常规方法，直接将测角电位器布置在舵轴的尾部，难以实现10～30mm的舵机轴向尺寸要求，因而采用有限转角齿轮传动，间接输出舵偏角。使得本发明的一种薄型大减速比微小型电动舵机，实现大扭矩弯矩的静态指标。在满足大弯扭条件下，舵机输出轴向尺寸极薄，在10～30mm以内，单只舵机重量较轻，在150g以下结构十分紧凑；
本发明将蜗杆传动放在舵机减速器的输出级，而非电机端的输入级，避免了电机轴向受力过大而损坏的风险。并解决了舵机弯扭大而使舵机寿命短的问题。对于蜗杆传动而言，蜗杆是受轴向力的，其轴向受力计算公式为
式中：Fa1——蜗杆轴向力，N；
T2——蜗轮的输出扭矩，Nm；
d2——蜗轮直径，mm；
γ——蜗杆分度圆柱导程角，°；
根据上述公式，可求得蜗杆的轴向力，对于直流有刷或无刷空心杯电机，该值用于电机轴向最大载荷的选择，若该值较大，将造成电机损坏。因此，将蜗轮蜗杆布置在输出级，上述公式亦可用于轴承额定动态载荷的选择，决定了轴承的选型。
本发明将蜗轮蜗杆传动放在舵机传动中的输出级，并采用大小轴承使蜗杆双向固支，既解决了蜗杆传动轴向力大的问题，又便于机械加工和装配。将蜗杆传动布置在输出级，而非电机端的输入级，避免了使电机轴的轴向受力过大而损坏。蜗杆所受轴向力由固支蜗杆的两个轴承和舵机壳体来承受，对舵机壳体连接件进行强度校核，对轴承进行动态载荷校核，在合理选用紧固件和轴承的前提下，能够解决蜗杆传动轴向力大的问题。此外，大小轴承双向固支的结构形式，从机加工角度讲，易于保证两个轴承孔的同轴度要求，且便于装配。
本发明可以将蜗轮布置在蜗杆的左边或右边，从而获得对称的两只电动舵机，应用于无人机等对称布置的飞行器结构中。这种布置方式，只需改动舵壳的外形结构，将舵机壳体的结构镜像，即可得到该对称的两只电动舵机，实现方法简单易行。
本发明从舵机结构考虑低摩擦，小惯量设计，选用低功耗器件，合理布局布线，实现了舵机系统的低功耗控制。并采用串并结合的模式，在舵机算法模块部分对多路舵机的控制进行串行运算，在其他模块中分别对多路舵机进行并行控制，大大节省了资源的消耗，提高了运算和控制速度，同时也保证了各路舵机控制性能。
本发明的舵机控制器的数字控制板中轨迹生成模块，对上位机传来的信号频率较低的舵机偏角指令信号进行处理，避免较大的速度波动和电流过程，提高了舵机控制的稳定性。
综上所述，本发明的一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，实现了整个舵机系统结构紧凑、轴向尺寸薄、额定负载大、力矩干扰小、低速大转矩、控制精度高、布线方便、稳定性好。
本发明提供一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，包括舵机控制器和舵机两部分。舵机控制器与一体化舵机位于舵舱中，通过导线连接。
优选方案为：一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，舵机包括壳体(1)、1个电机(2)、n级直齿齿轮(3)、蜗轮蜗杆组件(4)、舵轴(5)、、输出摆角齿轮(5-1)、有限转角齿轮(6)以及电位器(7)；
所述的壳体(1)包括1个底板(1-1)、1个舵壳(1-2)、1个盖板(1-3)和1个压板(1-4)，底板一侧中部具有一个用于安装电机(2)的凹槽(1-1-1)，底板的背部(1-1-2)安装n级直齿齿轮(3)。n级直齿齿轮(3)的输入级齿轮(3-1)与电机(2)输出端固连，n级直齿齿轮(3)的输出级齿轮(3-2)与蜗杆组件(4)的蜗杆(4-1)端部固连。舵壳设置2个齿轮室，具体为第一齿轮室和第二齿轮室(1-2-1、1-2-2)、蜗杆安装孔(1-2-3)、舵轴(5)的安装孔(1-2-4)和摆角齿轮安装孔(1-2-5)；第一齿轮室(1-2-1)内部放置n级直齿齿轮(3)，且与底板固连；第二齿轮室(1-2-2)内部放置蜗轮蜗杆组件(4)和舵轴(5)；蜗杆(4-1)位于蜗杆安装孔(1-2-3)的内部；蜗轮(4-2)与蜗杆(4-1)啮合，且蜗轮(4-2)与舵轴(5)同轴；舵轴(5)位于安装孔(1-2-4)的内部；舵轴(5)与输出摆角齿轮(5-1)同轴固连，有限转角齿轮(6)与输出摆角齿轮(5-1)啮合，共同实现间接输出舵偏角；有限转角齿轮(6)位于摆角齿轮安装孔(1-2-5)内部；第二齿轮室(1-2-2)与盖板(1-3)固连；蜗杆安装孔(1-2-5)与压板(1-4)同轴固连。有限转角齿轮(6与)电位器(7)同轴；
优选方案为：直流有刷或无刷电机(2)，经n级直齿齿轮(3)传动减速，再经蜗轮蜗杆组件(4)减速，将电机的旋转运动转化为蜗轮蜗杆组件(5)的旋转运动，旋转方向实现90°垂直换向，并由与蜗轮(5-2)固连的舵轴(6)实现输出摆角，而后经输出摆角齿轮(6-1)啮合，由有限转角齿轮(7)间接输出摆角，并由电位器(8)敏感舵轴的角位置。
所述的舵机的输出轴向厚度在10～30mm以内。所述的直流有刷或无刷电机为空心杯电机，直径在10～30mm以内
优选方案为：所述的舵壳1-2上的蜗杆安装孔为一大一小两个孔，蜗杆的轴向由压板预紧固支。
优选方案为：蜗轮(4-2)与舵轴(5)同轴，且可以是分体或一体结构。
优选方案为：舵轴(5)与输出摆角齿轮(5-1)同轴固连，有限转角齿轮(6)与输出摆角齿轮(5-1)啮合，共同实现间接输出舵偏角；有限转角齿轮(6)位于摆角齿轮安装孔(1-2-5)内部；第二齿轮室(1-2-2)与盖板(1-3)固连；蜗杆安装孔(1-2-5)与压板(1-4)同轴固连。有限转角齿轮(6与)电位器(7)同轴。
优选方案为：有限转角齿轮(6)的轴向有且仅有一个齿轮安装，该轴承为径向轴承或轴向推力轴承。
优选方案为：还包括舵机控制器，舵机控制器与舵机位于舵舱中，通过导线连接；所述的舵机控制器包括电源板模块、数字控制板模块和两块驱动板模块；电源板模块用于为舵机控制器供电，每个驱动模块可板驱动两个m个电机(m≥2)，数字控制模块接收总体控制信号获取所需舵偏角θ，在舵机控制器算法模块中进行位置环PID运算，根据位置偏差算出位置环调节输出量，将舵机位置环调节输出量控制信号送入舵机驱动控制模块处理，形成PWM控制信号，再经三相桥驱动芯片和功率MOSFET，将PWM驱动信号放大，转换为功率MOSFET的栅极驱动信号，输出三相桥驱动信号驱动舵机转动，通过驱动板驱动对应的电机摆动舵轴。
优选方案为：舵机控制器包括电源模块、数字控制模块和驱动模块，数字控制模块中还包括轨迹生成模块，轨迹生成模块接收上位机传来的舵机偏角指令信号，对舵机偏角指令信号进行平滑处理和整形。所述轨迹生成模块对舵机偏角指令信号进行平滑处理和整形的过程为：对舵机偏角指令信号以上位机的发送频率计算出舵机位置轨迹的离散速度信号和离散加速度信号，并分别限制其最大值；以舵机算法模块的运算频率对加速度信号进行积分，得到某时刻的一次积分后的速度值；将一次积分后的速度值和该时刻离散速度信号的速度值分别与上一时刻的速度值做差；取与上一时刻的速度值做差的差值绝对值较小的速度值作为这一时刻的比较后的速度值；对比较后的速度进行积分，得到处理后的舵机偏角指令信号。
本发明实现舵机动态性能校核的进一步优选方案：若要满足每个舵机在舵偏角为θ、频率为f的正弦输入信号下，舵机在所带载荷为Load情况下，其输出信号的幅值大于输入的k倍，k为带载带宽要求，通常取0.707，则可由加速度大于要求值为依据，折算到电机轴上的输出力矩Td需要满足下式
由上述公式，假设已知电动舵机的总传递效率η、电动舵机的传动比i和电动舵机的转动惯量J，可计算出每个电机的所需转矩Td，所需转矩Td不大于额定转矩的3倍，并由此来校核舵机的动态性能。
本发明实现舵机的控制精度指标提高的进一步方案：减小齿轮传动间隙，提高蜗轮蜗杆的啮合消隙。
本发明的一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，经过静态和动态性能测试，结果表明其弯矩可达20Nm以上，扭矩可达3Nm以上，然而其轴向厚度极薄，在20mm以内，重量在150g以下；且其带宽在10Hz以上，且1°3Hz相位延迟指标在20°以内，表明动态性能指标较好，且控制精度高。因此，上述指标均体现出本发明的结构紧凑、轴向尺寸薄、额定负载大、低速大转矩、力矩干扰小、控制精度高等良好效果。
Claims (5)
1.一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，其特征在于包括：舵机控制器和m只舵机；
舵机包括壳体（1）、1个电机（2）、n级直齿齿轮（3）、蜗轮蜗杆组件（4）、舵轴（5）、输出摆角齿轮（5-1）、有限转角齿轮（6）以及电位器（7）；
舵机控制器，能够控制电机（2）和电位器（7）工作；
电机（2）安装在壳体（1）的一端，电机（2）的输出端伸入壳体（1）内；
n级直齿齿轮（3）安装在壳体（1）内，靠近电机（2）的一端；
n级直齿齿轮（3），包括：输入级齿轮（3-1）与输出级齿轮（3-2）；
蜗杆组件（4），包括：蜗杆（4-1）和蜗轮（4-2）；
n级直齿齿轮（3）的输入级齿轮（3-1）套在在电机（2）输出端上，n级直齿齿轮（3）的输出级齿轮（3-2）套在蜗杆组件（4）的蜗杆（4-1）端部，蜗杆组件（4）的蜗轮（4-2）套在舵轴（5）上；
输出摆角齿轮（5-1）套在舵轴（5）上；有限转角齿轮（6）的齿轮轴固定在壳体上，有限转角齿轮（6）与输出摆角齿轮（5-1）啮合；
有限转角齿轮（6）为扇形齿轮，能够转动有限角度（小于360度）；
电位器（7），包括：定子和转子；转子固定在有限转角齿轮（6）的齿轮轴上；定子与壳体固连；由定子和转子配合，通过获得有限转角齿轮（6）的摆角，实现检测舵轴（5）的输出摆角；
电机（2）的输出，经n级直齿齿轮（3）传动减速，再经蜗轮蜗杆组件（4）减速，将电机的旋转运动转化为蜗轮蜗杆组件（4）的旋转运动，电机（2）的输出端的旋转轴与舵轴（5）的旋转方向实现90°垂直换向，舵轴（5）与舵片固连，输出所需的角位置和角速度；
壳体（1）包括1个底板（1-1）、1个舵壳（1-2）、1个盖板（1-3）和1个压板（1-4）；
舵壳（1-2）的一侧与底板（1-1）固连；盖板（1-3）盖在舵壳（1-2）上；
底板（1-1）一侧中部具有一个用于安装电机（2）的凹槽（1-1-1）；
n级直齿齿轮（3），包括：输入级齿轮（3-1）与输出级齿轮（3-2）；
蜗杆组件（4），包括：蜗杆（4-1）和蜗轮（4-2）；
舵壳（1-2）设置2个齿轮室，分别为第一齿轮室（1-2-1）、第二齿轮室（1-2-2）、蜗杆安装孔（1-2-3）、舵轴（5）的安装孔（1-2-4）和摆角齿轮安装孔（1-2-5）；
第一齿轮室（1-2-1）内部放置n级直齿齿轮（3）；第二齿轮室（1-2-2）内部放置蜗轮蜗杆组件（4）的蜗轮（4-2）；蜗杆（4-1）位于蜗杆安装孔（1-2-3）的内部；蜗轮（4-2）与蜗杆（4-1）啮合，蜗轮（4-2）套在舵轴（5）上；舵轴（5）位于安装孔（1-2-4）的内部；输出摆角齿轮（5-1）套在舵轴（5）上，有限转角齿轮（6）与输出摆角齿轮（5-1）啮合，有限转角齿轮（6）与输出摆角齿轮（5-1）共同实现间接输出舵偏角；有限转角齿轮（6）位于摆角齿轮安装孔（1-2-5）内部；
压板（1-4）压盖在蜗杆安装孔（1-2-3）上；
所述的电动舵机系统的重量在150g以内；所述舵壳（1-2）上的蜗杆安装孔为一大一小两个孔，蜗杆的轴向由压板（1-4）预紧固定支撑；
壳体（1）上还包括压环，有限转角齿轮（6）的齿轮轴上只装有一个轴承，压环将轴承固定在壳体（1）上，该轴承为径向轴承或轴向推力轴承；
舵机控制器与舵机位于飞行器舵舱中，舵机控制器与电机（2）和电位器（7）通过导线连接；所述的舵机控制器包括电源板、数字控制板和两块驱动板；电源板用于为舵机控制器供电，每个舵机控制器能够连接m个电机（2），每个驱动板驱动两个以上电机，数字控制板接收外部总体控制信号，从总体控制信号中获取所需舵偏角θ，电位器（7）采集舵轴（5）的角位置，根据所需舵偏角θ和舵轴（5）的角位置，在舵机控制器算法模块中进行位置环PID运算，根据位置偏差算出位置环调节输出量，将舵机位置环调节输出量控制信号送入舵机驱动控制模块处理，形成PWM控制信号，再经三相桥驱动芯片和功率MOSFET，将PWM驱动信号放大，转换为功率MOSFET的栅极驱动信号，输出三相桥驱动信号驱动舵机转动，通过驱动板驱动对应的电机摆动舵轴。
2.根据权利要求1所述的一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，其特征在于：所述的电动舵机系统的最小长方体包络在输出轴向的厚度为10~30mm以内；所述的电机（2）为直流有刷或无刷电机，且为空心杯电机，直径在10~30mm以内。
3.根据权利要求1所述的一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，其特征在于：蜗轮（4-2）与舵轴（5）同轴，且是分体或一体结构。
4.根据权利要求1所述的一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，其特征在于：所述的电动舵机系统采用了蜗轮蜗杆传动，电动舵机系统减速比可达500~1000。
5.根据权利要求1所述的一种薄型大减速比微小型电动舵机系统，其特征在于：所述的电动舵机的蜗轮和蜗杆布置位置可以更换，即蜗轮布置在蜗杆的左边或右边，蜗轮布置在蜗杆的左边的电动舵机系统与蜗轮布置在蜗杆的右边的电动舵机系统，能够实现对称结构的2个电动舵机系统。
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