CN114111463A - 一种40mm弹径三通道数字电动舵机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种40mm弹径三通道数字电动舵机系统，其目的是解决现有40mm弹径三通道数字电动舵机系统采用涡轮蜗杆减速器方案、齿轮箱减速器方案和滚珠丝杆减速器方案在40mm弹径三通道数字电动舵机系统的狭小空间内的性能均无法完全满足要求的问题。该系统包括舵舱和N个舵面，以及设置于舵舱内的电路模块、N个电机、N个减速器和N个电位器；N≥3；所述电路模块包括控制电路板、驱动功率电路板、电连接器、M个电路板安装柱、M个电路板安装块、M个第一安装螺栓和M个第二安装螺栓。电机为永磁有刷直流空心杯伺服电机；减速器采用谐波减速器；电位器采用精密旋转导电电位器。

Description

一种40mm弹径三通道数字电动舵机系统

技术领域

本发明涉及一种电动舵机系统，具体涉及一种40mm弹径三通道数字电动舵机系统。

背景技术

舵系统是导弹进行姿态控制、弹道变轨的关键部件，是导弹方向控制的执行机构。舵系统通过控制执行机构的转角使舵片上产生相应的空气动力与气动力矩，使弹体按照预定的轨迹快速飞行，舵系统性能的优劣与导弹打击精度息息相关。舵机系统由控制器、驱动器、电机、减速机构和反馈传感器组成，导弹在飞行过程中弹载计算机下达调整飞行姿态命令后，舵系统便开始工作。舵系统的控制器将来自弹载计算机的角度偏转指令转换为实际控制信号，控制信号经过驱动器将信号调制与功率放大，再经过脉宽调制电路得到脉宽调制信号PWM，通过调整PWM信号的脉冲宽度，调控电机的转向与转速，再经过减速机构传递到舵轴输出，进而控制舵片的偏转角速度，确保舵片在指定时间内响应指令偏转信号，并通过角度传感器实时地将当前舵片实际偏转角度反馈回舵系统控制器，形成闭环控制回路。

当前40mm火箭弹舵系统产品需求很大但受限于火箭弹口径小，40mm火箭弹舵系统对工艺、操作要求非常高，不少研制单位虽然在设计方案上具有可行性，但目前仍处于图纸阶段，无法装配出实物样机。有个别单位虽然已生产样机，但其结构件设计非常复杂，零件种类繁多，生产一套合格舵系统产品必须经过多次拆装，反复调试，成品合格率特别低，工艺耗时长，无法实现批量生产。

目前能够设计、生产40mm三通道数字电动舵机的科研生产单位比较少，未见可供查阅的专利文献，对40mm三通道数字电动舵机相关技术进行市场调研知，该技术主要设计难点为40mm弹口径可利用空间非常小，内部需集成控制电路、驱动电路、环形排列的4个执行机构以及控制与机构之间的电气连接，给设计、工艺以及操作都带来很大的难度。执行机构由电机与减速器组成，选择合适的电机与减速器对整个舵系统的设计至关重要，在狭小的空间内减速器设计甚至决定了整个舵系统可实施性，不同的减速器类型决定了反馈传感器在舱内的安装方式，40mm弹径三通道数字电动舵机系统目前存在以下3种设计方案：

1、涡轮蜗杆减速器方案

这种减速器单级减速比大，电机轴直接与舵输出轴垂直布置无需转置，具有自锁功能。缺点是摩擦损失大、传动效率低、精度不高和机械回差难以控制，特别是当涡轮与蜗杆磨合时间舱后，其机械空回比较大。这种设计方案整机效率低，对电机输出功率要求高，加大了对整弹电池的供电需求，由于空间受限，位置反馈传感器只能通过齿轮或者连杆等间接方式与舵面输出轴连接，对整机控制精度存在一定的影响，而且采用涡轮蜗杆很大程度上依赖其他结构件支撑固定，调试出一套性能指标合格的产品要经过多次拆装，反复调试，加大了整机装配调试难度。

2、齿轮箱减速器方案

这种减速器体积小、传动效率高。缺点是传动比分级细密连续多级齿轮减速、安装困难、制造复杂和成本高，与蜗杆一样，经过长时间磨合后，齿轮机械空回较大。这种设计方案虽解决了整机效率低的问题，但齿轮箱减速器需要减速级数多、成本高、多级齿轮占据空间大，对其他组件空间布局造成一定的压力，而且齿轮级数越多，齿轮间的传动回差就越大，对控制精度有一定的影响，加大了整机的零位误差。

3、滚珠丝杆减速器方案

这种减速器传动效率高、摩擦力矩小、质量轻，通过拨叉与滚珠丝杆螺母配合进行传动，但滚珠丝杆对纵向尺寸要求高，并且采用此种减速器的执行机构，受丝杆行程影响，舵机偏转角度有限，在舵机进行大角度动作时容易造成卡死现象，长时间工作后拨叉与滚珠丝杆螺母之间容易形成间隙，与涡轮蜗杆方案一样，结构件依赖其他结构件支撑固定，整机零件种类繁多，在40mm舵舱内装配调试困难，产品合格需反复拆装，对40mm舵系统来看，对工艺性和操作性要求太高。

发明内容

本发明的目的是解决现有40mm弹径三通道数字电动舵机系统中存在涡轮蜗杆减速器方案，摩擦损失大、传动效率低、精度不高、机械回差难以控制、机械空回比大、对整弹电池的供电需求大以及整机装配调试难度大；齿轮箱减速器方案，传动比分级细密连续多级齿轮减速、安装困难、制造复杂、成本高、机械空回较大、齿轮箱减速器需要减速级数多和占据空间大；滚珠丝杆减速器方案，对纵向尺寸要求高，进行大角度动作时容易造成卡死现象，零件种类繁多，装配调试困难，对工艺性和操作性要求太高的技术问题，提供一种40mm弹径三通道数字电动舵机系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：

一种40mm弹径三通道数字电动舵机系统，包括舵舱和N个舵面；所述N≥3；其特殊之处在于：

还包括设置于舵舱内的电路模块、N个电机、N个减速器和N个电位器；

所述电路模块包括控制电路板、驱动功率电路板、电连接器、M个电路板安装柱、M个电路板安装块、M个第一安装螺栓和M个第二安装螺栓；所述M≥3；

M个所述电路板安装柱固连于驱动功率电路板上表面；

M个所述电路板安装块固连于驱动功率电路板下表面；

M个所述第一安装螺栓穿过舵舱舱壁分别与M个电路板安装块侧面连接；

M个所述第二安装螺栓依次穿过控制电路板和M个电路板安装柱、驱动功率电路板后，分别与M个电路板安装块连接；

所述电连接器固连于驱动功率电路板上表面，且其顶端高出控制电路板上设置的预留口a；

所述舵面的输入轴穿过舱壁连接相应所述减速器的输出轴；

所述电位器作为角度传感器，安装于相应减速器背部，且与相应舵面的输入轴同轴传动；

所述减速器的输入轴连接相应电机的输出轴；

减速器通过多个第三安装螺栓固连于舱壁上；

各电机出线b以及电位器出线连接连接到驱动功率电路板下表面相应的焊盘上。

进一步地，所述电机为永磁有刷直流空心杯伺服电机，采用后端盖侧面出线方式。

进一步地，所述减速器采用谐波减速器。

进一步地，所述电位器采用精密旋转导电电位器。

进一步地，所述减速器为2级传动，第1级为锥齿传动，第2级为谐波传动，减速比为60，输出力矩≥0.5N·m，输入转速≥10000r/min。

进一步地，所述电连接器采用微矩形印制板电连接器J70A-2H2-015-231-TH。

进一步地，所述电位器的机械转角为360°无遮挡，工作电压为5V，有效电气角为60°±2°，使用温度为-55℃～+125℃，质量为≤3g。

进一步地，所述驱动功率电路板上设置有电源转换电路、光耦隔离电路和驱动电路；

所述控制电路板靠近舵舱一侧端面，其上设置有二次电源转换电路、RS422异步串口通信电路、主控制电路、AD采集电路和PWM产生电路。

进一步地，所述驱动功率电路板与电机端面的间距为5mm；

所述驱动功率电路板与控制电路板元件面相对设置，印制板的厚度均为1.2mm，二者间距为7mm；

所述控制电路板与舵舱的所述端面间距为3.3mm；

所述电机的额定工作电压为6V；

所述驱动功率电路板在电路板安装块安装位置的禁布线区域大于电路板安装块的包络线区域；

所述电路板安装柱外径为4.5mm，其安装位置的禁布线区域外径为5.5mm。

进一步地，所述控制电路板的主控电路由ARM控制处理完成，采用脉宽调制技术PWM控制电机、PID为控制策略的全数字化位置环控制方案。

本发明相比现有技术具有的有益效果如下：

1、本发明提供的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，控制电路板与驱动功率电路板采用小型化布局，采用J70A-2H2-015-231-TH微矩形电连接器，单个执行机构选用高功率密度比有刷直流空心杯电机+谐波减速器+高精度小型旋转电位器，在保证可靠性的同时，最大限度地减少了每个部件所占用的空间尺寸，舵机系统的多个执行机构与一套控制电路仅占用Φ40×53mm的空间包络，该舵机系统具有结构简单、机械回差小、快速装调、动态响应良好以及可大批量生产等优点。

2、本发明的40mm弹径三通道数字电动舵机系统结构设计合理，减速器采用谐波减速器，传动比大、精度高、减速比高、体积小、结构简单、传动效率高、机械回差小，装调方便，无需反复拆装，测试过程比较便捷，可实现舵机系统大量快速批产。虽然谐波减速器的柔轮容易损坏，但因40mm舵机系统要求的额定输出力矩仅为0.2Nm，该力矩下对柔轮无影响。谐波减速器可360°旋转，不会出现卡死等异常现象。

3、本发明的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，优化合理，位置反馈传感器(电位器)与减速器输出轴同轴联动，可保证整机控制精度与零位误差，通过采用高精度微型电位器，舵系统输入指令0°时，舵面零位误差绝对值不大于0.3°。

4、本发明的40mm弹径三通道数字电动舵机系统使用广泛，设计时考虑了火箭弹快速机动性要求，选用的伺服电机响应速度快、机械时间常数小、启/停特性好，电动舵机系统闭环幅频特性下降到频率为0分贝数以下3dB时，对应的带宽频率不小于20Hz，可实现舵机系统对整弹的快速响应。

5、本发明的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，操作方法相对简单，无需专业人员对其进行定期检定，现场操作人员经过系统学习既可以熟练、准确的操作，并且测试数据可靠。

6、本发明的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，结构部分机械加工方便、成本相对较低，不需要特殊的维护和保养。

附图说明

图1为本发明40mm弹径三通道数字电动舵机系统的结构示意图；

图2为本发明40mm弹径三通道数字电动舵机系统的结构示意图，图中未示出舵舱；

图3为本发明本发明40mm弹径三通道数字电动舵机系统中电机、减速器和电位器部分(即单个执行机构)的结构示意图一；

图4为本发明本发明40mm弹径三通道数字电动舵机系统中电机、减速器和电位器部分(即单个执行机构)的结构示意图二；

图5为本发明本发明40mm弹径三通道数字电动舵机系统中电机出线b的示意图；

附图标记说明：

1-舵舱、2-舵面5-电机、6-减速器、7-电位器、8-控制电路板、9-驱动功率电路板、10-电连接器、11-电路板安装柱、12-电路板安装块、13-第一安装螺栓、14-第二安装螺栓、15-第三安装螺栓、a-预留口、b-电机出线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。

本发明的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，主要包括控制与执行机构两大部分；控制部分包括控制电路板8、驱动功率电路板9以及嵌入式控制软件；执行机构包络电机5、减速器6与电位器7，结构简单、拆装便捷。如图1至图5所示，其具体结构包括舵舱1和4个舵面2，以及设置于舵舱1内的电路模块、4个电机5、4个减速器6和4个电位器7；所述电路模块包括控制电路板8、驱动功率电路板9、电连接器10、3个电路板安装柱11、3个电路板安装块12、3个第一安装螺栓13和3个第二安装螺栓14；3个所述电路板安装柱11固连于驱动功率电路板9上表面；3个所述电路板安装块12固连于驱动功率电路板9下表面；3个所述第一安装螺栓13穿过舵舱1舱壁分别与3个电路板安装块12侧面连接；3个所述第二安装螺栓14依次穿过控制电路板8、3个电路板安装柱11和驱动功率电路板9后，分别与3个电路板安装块12连接；所述驱动功率电路板9上设置有电源转换电路、光耦隔离电路和驱动电路；所述控制电路板8靠近舵舱1一侧端面，其上设置有二次电源转换电路、RS422异步串口通信电路、主控制电路、AD采集电路和PWM产生电路；所述电连接器10固连于驱动功率电路板9上表面，且其顶端高出控制电路板8上设置的预留口a；所述舵面的输入轴穿过舱壁通过沉头螺钉连接相应所述减速器6的输出轴；所述电位器7作为角度传感器，安装在相应减速器6背部，且与相应舵面2输入轴同轴传动；所述减速器6的输入轴连接电机5的输出轴；减速器6通过多个第三安装螺栓15固连于舱壁上；图3至图5所示，电机出线b以及电位器出线就近连接到驱动功率电路板9下表面的相应焊盘上。

所述电机5为永磁有刷直流空心杯伺服电机，采用后端盖侧面出线方式。所述减速器6采用谐波减速器，该减速器6为2级传动，第1级为锥齿传动，第2级为谐波传动，减速比为60，输出力矩≥0.5N·m，输入转速≥10000r/min。所述电位器7采用精密旋转导电电位器。所述电位器7的机械转角为360°无遮挡，工作电压为5V，有效电气角为60°±2°，使用温度为-55℃～+125℃，质量为≤3g。所述电连接器10采用微矩形印制板电连接器J70A-2H2-015-231-TH。

所述驱动功率电路板9与电机5端面的间距为5mm；所述驱动功率电路板9与控制电路板8元件面相对设置，印制板的厚度均为1.2mm，二者间距为7mm；所述控制电路板8与舵舱的所述端面间距为3.3mm；所述电机5的额定工作电压为6V。所述驱动功率电路板9在电路板安装块12安装位置的禁布线区域大于电路板安装块12的包络线区域；所述电路板安装柱11外径为4.5mm，其安装位置的禁布线区域外径为5.5mm。

具体而言：

为满足40mm口径火箭弹制导需求，本发明设计了一种结构简单、可快速装调、动态响应良好的40mm三通道数字电动舵机。采用小型谐波减速器，其传动比大、体积小、精度高、减速比高、结构简单、传动效率高，对电机5输入功率要求低。整机采用小型谐波减速器与小型高功率密度伺服电机5(永磁有刷直流空心杯伺服电机)组成执行机构，4个执行机构通过沉头螺钉直接环形安装在舱壁上，对工艺要求低，操作方便；选用小型精密旋转电位器通过特殊接口直接安装在减速器6背部，确保电位器7与舵面2输入轴同轴传动，保证整机控制精度；对电路进行小型化设计，设计异形PCB布局，电路板留有螺钉安装过孔，通过3个特殊固定块(电路板安装块12)牢固安装在舱壁内壁，选用微矩形印制板电连接器J70A-2H2-015-231-TH焊接在下层电路板(驱动功率电路板9)上，上层电路板(控制电路板8)预留出电连接器10安装距离(预留孔a，预留位置)，在保证可靠性的同时最大限度节省电路空间；电机出线b以及电位器出线经工艺性处理后就近连接到下层电路板(驱动功率电路板9)焊盘，进一步压缩控制与执行机构间的空间；装配完成后舵机系统(舵系统)可实现单个执行机构单独调试，整机调测简单，装配工序少，可实现批量生产。

舵系统控制单元部分的主控电路由ARM控制处理完成，采用脉宽调制技术(PWM)控制伺服电机，PID为控制策略的全数字化的位置环控制方案，舵机舱执行机构采用永磁直流伺服电机+谐波减速器+精密导电塑料电位器方案。

小型化电路设计，选用微矩形印制板电连接器J70A-2H2-015-231-TH最大限度节省电路空间，舵系统硬件包括2块电路板：1块控制电路板8，1块驱动功率电路板9。控制电路板8包括：二次电源转换电路、RS422异步串口通信电路、主控制电路、AD采集电路和PWM产生电路。驱动功率电路板9主要包括电源转换电路、光耦隔离电路和驱动电路。

两块电路板安装后尺寸，下层电路板(驱动功率电路板9)距离电机5尾部端面5mm，两层电路板中间距离7mm，距离舵舱1的所述端面3.3mm；电路板板厚为1.2mm，对外电连接器10在下层电路板安装，上层电路板预留出对外插电连接器10安装距离。下层电路板(驱动功率电路板9)底面(朝向电机5面)安装有3个电路板安装块12，通过3个电路板安装块12安装在舱壁内部。禁布线区域大于电路板安装块12的包络线；驱动功率电路板9上面(朝向上层电路板)安装有3个套筒(电路板安装柱11)，套筒外径为4.5mm，禁布线区域外径5.5mm。

所述控制电路板8和功率驱动电路板9通过外部伺服控制器硬件平台上的控制软件控制；所述控制软件的Keil软件包开发环境采用C语言，按模块化思想编写软件，主要包括串口通信模块、A/D采集处理模块、控制算法模块以及故障检测模块。主程序是个循环体，完成各种初始化、接收上位机和弹上机指令以及故障检测。中断由串口事件产生，中断程序完成相应的流程处理，控制算法的实现。

舵机舱控制软件需要自主完成如下具体功能：

1)伺服控制器硬件电路初始化；

2)实时采集4路角度传感器信息；

3)根据伺服舵机舱的工作模式，按照相应的算法实时解算并实现角度闭环；

4)通过RS422串口1接收飞控机或者上位机指令，并按照指令设置舵机舱工作模式，完成相应的流程；通过RS422总线向上位机输出舵机舱工作状态信息；

5)通过RS422串口在单元测控系统的配合下，完成对舵机舱的整机调试和性能测试和程序在线升级；

6)对舵机舱的工作状态进行实时监测，如发现故障立即执行相应的自保护操作，并及时输出监测到的故障信息。

选用永磁有刷伺服电动机额定工作电压为6V，电机5采用后端盖侧面出线，最大限度减少电机5所占纵向包络。选用减速器6为2级传动，第1级为锥齿传动，第2级为谐波传动，减速比为60，输出力矩≥0.5N·m，输入转速≥10000r/min。角度传感器选用小型精密旋转电位器，具有环境适应强，线性度高的特点。机械转角为360°无遮挡，工作电压5V，有效电气角：60°±2°，使用温度：-55℃～+125℃，质量：≤3g。

本发明的舵系统所能达到的效果：

1)舵系统闭环幅频特性下降到频率为0分贝数以下3dB时，对应的带宽频率不小于20Hz；幅频特性曲线下降到频率为0分贝数以下1dB时，对应的频率不小于15Hz，此时相移不超过50°；

2)舵系统最大铰链力矩不小于0.2N·m；

3)该40mm弹径三通道数字电动舵机系统经过多次使用，同时结合科学的测试方法，空载条件下，最大舵偏角速度不小于300(°/s)，舵偏角速度的不对称性不大于10％；铰链力矩0.1N.m条件下，最大舵偏角速度不小于250(°/s)；舵偏角速度的不对称性不大于20％；

4)最大稳态误差：不大于3％(指令大于零，去除零位误差)。

本发明的创新之处在于：

控制电路板8与驱动功率电路板9小型化布局，采用J70A-2H2-015-231-TH微矩形电连接器，单个执行机构选用高功率密度比有刷直流空心杯电机+谐波减速器+高精度小型旋转电位器，在保证可靠性同时最大限度减少每个部件所占用的空间尺寸，舵机系统4个执行机构与一套控制电路仅占用Φ40×53mm的空间包络，该舵系统具有结构简单、机械回差小、快速装调、动态响应良好、可大批量生产等优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种40mm弹径三通道数字电动舵机系统，包括舵舱(1)和N个舵面(2)；所述N≥3；其特征在于：

还包括设置于舵舱(1)内的电路模块、N个电机(5)、N个减速器(6)和N个电位器(7)；

所述电路模块包括控制电路板(8)、驱动功率电路板(9)、电连接器(10)(10)、M个电路板安装柱(11)、M个电路板安装块(12)、M个第一安装螺栓(13)和M个第二安装螺栓(14)；所述M≥3；

M个所述电路板安装柱(11)固连于驱动功率电路板(9)上表面；

M个所述电路板安装块(12)固连于驱动功率电路板(9)下表面；

M个所述第一安装螺栓(13)穿过舵舱(1)舱壁分别与M个电路板安装块(12)侧面连接；

M个所述第二安装螺栓(14)依次穿过控制电路板(8)、M个电路板安装柱(11)和驱动功率电路板(9)后，分别与M个电路板安装块(12)连接；

所述电连接器(10)固连于驱动功率电路板(9)上表面，且其顶端高出控制电路板(8)上设置的预留口a；

所述舵面(2)的输入轴穿过舱壁连接相应减速器(6)的输出轴；

所述电位器(7)作为角度传感器，安装于相应减速器(6)背部，且与相应舵面(2)的输入轴同轴传动；

所述减速器(6)的输入轴连接相应电机(5)的输出轴；

减速器(6)通过多个第三安装螺栓(15)固连于舱壁上；

各电机出线b以及电位器出线连接到驱动功率电路板(9)下表面的相应焊盘上。

2.根据权利要求1所述的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，其特征在于：

所述电机(5)为永磁有刷直流空心杯伺服电机，采用后端盖侧面出线方式。

3.根据权利要求2所述的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，其特征在于：

所述减速器(6)采用谐波减速器。

4.根据权利要求3所述的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，其特征在于：

所述电位器(7)采用精密旋转导电电位器。

5.根据权利要求1至4任一所述的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，其特征在于：

所述减速器(6)为2级传动，第1级为锥齿传动，第2级为谐波传动，减速比为60，输出力矩≥0.5N·m，输入转速≥10000r/min。

6.根据权利要求5所述的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，其特征在于：

所述电连接器(10)采用微矩形印制板电连接器J70A-2H2-015-231-TH。

7.根据权利要求6所述的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，其特征在于：

所述电位器(7)的机械转角为360°无遮挡，工作电压为5V，有效电气角为60°±2°，使用温度为-55℃～+125℃，质量为≤3g。

8.根据权利要求7所述的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，其特征在于：

所述驱动功率电路板(9)上设置有电源转换电路、光耦隔离电路和驱动电路；

所述控制电路板(8)靠近舵舱(1)一侧端面，其上设置有二次电源转换电路、RS422异步串口通信电路、主控制电路、AD采集电路和PWM产生电路。

9.根据权利要求8所述的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，其特征在于：

所述驱动功率电路板(9)与电机(5)端面的间距为5mm；

所述驱动功率电路板(9)与控制电路板(8)的元件面相对设置，印制板厚度均为1.2mm，二者间距为7mm；

所述控制电路板(8)与舵舱(1)的所述端面间距为3.3mm；

所述电机(5)的额定工作电压为6V；

所述驱动功率电路板(9)在电路板安装块(12)安装位置的禁布线区域大于电路板安装块(12)的包络线区域；

所述电路板安装柱(11)外径为4.5mm，其安装位置的禁布线区域外径为5.5mm。

10.根据权利要求9所述的40mm弹径三通道数字电动舵机系统，其特征在于：

所述控制电路板(8)的主控电路由ARM控制处理完成，采用脉宽调制技术PWM控制电机、PID为控制策略的全数字化位置环控制方案。

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