CN114465536A - 一种取消线位移传感器直线的电动舵机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种取消线位移传感器直线的电动舵机及其控制方法，解决了现有技术中电动舵机加工复杂、体积大、重量大、功质比低的问题。该电动舵机包括：电机、电机驱动控制器、旋转变压器和传动机构；所述电机的转子通过所述传动机构驱动舵机输出轴直线运动；所述旋转变压器用于检测电机转子的转动角度；所述电机驱动控制器用于根据输入的控制指令、旋转变压器检测到的所述电机转子的转动角度、舵轴初始零位和传动机构参数，实时计算舵机输出轴位置，并对舵机输出轴的位置进行控制。

Description

一种取消线位移传感器直线的电动舵机及其控制方法
技术领域
本发明涉及舵机设计技术领域，尤其涉及一种取消线位移传感器直线的电动舵机及其控制方法。
背景技术
舵机是飞行器控制系统的执行机构，其性能严重影响着飞行器的飞行品质和精度；舵机按照动力来源的不同，主要可以分为气动舵机、液压舵机和电动舵机。其中电动舵机具有结构简单、可靠性高、控制精度高等优点，逐渐成为舵机发展的主要方向。
目前，如图1所示，电动舵机主要包括：电机100、电机驱动控制器110、线位移传感器120、旋转变压器130和传动机构140，是一种典型的位置闭环控制系统。由于线位移传感器安装在滚珠丝杠的螺杆的内部，需要将滚珠丝杠螺杆加工为中空结构，导致滚珠丝杠加工复杂，且体积较大；旋转变压器需要同轴安装在线位移的外部，其内径需大于线位移的外径，从而导致旋转变压器的体积尺寸较大；因为线位移传感器本身体积尺寸大，将导致整体电动舵机整体体积重量的增加。随着科技的进步，飞行器朝着高精度、高功质比、高机动性、高可靠性方向发展，因此，对电动舵机提出了更高的要求。
有效简化直线电动舵机的组成，优化其空间结构，降低其体积重量，成为目前主要问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种取消线位移传感器直线的电动舵机及其控制方法，用以解决现有电动舵机加工复杂、体积大、重量大、功质比低的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种取消线位移传感器直线的电动舵机，包括：
电机、电机驱动控制器、旋转变压器和传动机构；
所述电机的转子通过所述传动机构驱动舵机输出轴直线运动；
所述旋转变压器用于检测电机转子的转动角度；
所述电机驱动控制器用于根据输入的控制指令、旋转变压器检测到的所述电机转子的转动角度、舵轴初始零位和传动机构参数，实时计算舵机输出轴位置，并对舵机输出轴的位置进行控制。
进一步地，所述传动机构为滚珠丝杠。
进一步地，所述电机驱动控制器包括位置解算模块，所述位置解算模块通过下式计算舵机输出轴位置l：
Figure BDA0002754241810000021
其中，θ0为电动舵机初始零位对应的旋转变压器位置值，θ1为旋转变压器当前位置值，d为滚珠丝杠导程参数，n为旋转变压器的旋转圈数。旋转圈数n实时存储于驱动控制器的存储器内。
进一步地，所述旋转圈数n，在舵机初始零位时为0，旋转变压器正向过零点一次n加1，反向过零点一次n减1。
进一步地，所述电机包括定子铁心和转子；所述滚珠丝杠包括滚珠丝杠螺母和滚珠丝杠螺杆。
进一步地，所述滚珠丝杠螺母设置于转子内部，所述滚珠丝杠螺母内部设置有滚珠丝杠螺杆，所述转子带动所述滚珠丝杠螺母转动时，滚珠丝杠螺母通过内螺纹带动滚珠丝杠螺杆直线运动，所述旋转变压器固定设置于所述滚珠丝杠螺母的后端。
另一方面，本发明实施例提供了一种取消线位移传感器直线的电动舵机的控制方法，包括：
通过旋转变压器的角度信息、舵轴初始零位、传动机构参数，获取舵机输出轴位置；
根据输入的控制指令和舵机输出轴当前位置，对电动舵机进行控制。
进一步地，舵机输出轴位置l通过下式计算获得：
Figure BDA0002754241810000031
其中，θ0为电动舵机初始零位对应的旋转变压器位置值，θ1为旋转变压器当前位置值，d为传动机构参数，n为旋转变压器的旋转圈数。旋转圈数n实时存储于驱动控制器的存储器内。
进一步地，所述旋转圈数n，在舵机初始零位时为0，旋转变压器正向过零点一次n加1，反向过零点一次n减1。
进一步地，根据计算得到的舵机输出轴位置，以及输入的控制指令，计算得到舵机输出轴位置偏差，实现对电动舵机进行控制。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1)本申请主要是取消现有技术中电动舵机中线位移传感器，以及驱动控制器的位置采样电路，简化电动舵机的结构，提升产品的功质比；零部件和元器件的减少也有利于提升产品的可靠性。
2)由于线位移传感器安装在滚珠丝杠的螺杆的内部，需要将滚珠丝杠螺杆加工为中空结构，导致滚珠丝杠加工复杂，且体积较大，去掉线位移传感器后，可有效降低滚珠丝杠的体积、重量，从而提升整个电动舵机的功质比。
3)线位移传感器的安装方式，也导致旋转变压器需要同轴安装在线位移的外部，其内径需大于线位移的外径，从而导致旋转变压器的体积尺寸较大，去掉线位移传感器可以有效降低旋转变压器的体积、重量，从而提升整个电动舵机的功质比。
4)取消线位移传感器，有利于电动舵机的安装、拆解和维护。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为现有技术中电动舵机示意图；
图2为本申请一个实施例中电动舵机示意图；
图3为现有技术中直线电动舵机(带线位移传感器)剖面图；
图4为本申请一个实施例中取消线位移传感器的电动舵机剖面图；
图5为本申请另一个实施例中一种取消线位移传感器直线的电动舵机控制方法流程图；
图6本申请实施例中提供的取消线位移传感器直线电动舵机控制方法的电子设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
如图2所示，本发明的一个具体实施例，公开了一种取消线位移传感器直线的电动舵机，包括：电机300、电机驱动控制器310、旋转变压器320和传动机构330；
可选地，电机300为永磁同步电机，所述电机包括定子铁心302和转子301；传动机构330为滚珠丝杠，所述滚珠丝杠包括滚珠丝杠螺母331和滚珠丝杠螺杆332。
具体地，永磁同步电机的定子铁心302和电动舵机的外部机壳固定，转子301(包括转子铁心和转子永磁体)与滚珠丝杠螺母331进行一体化设计，二者做同轴同转速旋转运动。无永磁同步电机的转子301部分为环形结构，内置滚珠丝杆螺杆332的作动筒，旋转变压器320安装在滚珠丝杠螺母的一端。所述电机300的转子301通过所述传动机构330驱动舵机输出轴直线运动；所述旋转变压器310用于检测电机转子301的转动角度。
更具体地，电机和滚珠丝杠按所述方式进行装配后，完成电机驱动控制器310对舵机输出轴初始位置进行定位检测，得到舵机输出轴位置和旋转变压器320的初始对应关系；直线电动舵机驱动控制器310的位置解算模块311根据旋转变压器320检测到的电机转子301转动角度确定当前位置，以及舵机初始零位、传动机构330的导程参数，实时计算得到舵机的直线输出轴位置，根据输入指令得到位置偏差，通过控制算法运算得到永磁同步电机控制量，发送至驱动电路，驱动电机300以所需的转速、转向旋转，经传动机构330带动舵轴运动，输出所需的位置。更具体地，驱动电机转子301旋转带动滚珠丝杠螺母331旋转，滚珠丝杠螺杆带动舵轴做直线运动，完成永磁同步电机的矢量控制。
更具体地，所述电机驱动控制器包括位置解算模块，所述位置解算模块通过下式计算舵机输出轴位置l：
Figure BDA0002754241810000061
其中，θ0为电动舵机初始零位对应的旋转变压器位置值，θ1为旋转变压器当前位置值，d为滚珠丝杠导程参数，n为旋转变压器的旋转圈数。旋转圈数n实时存储于驱动控制器的存储器内。
具体地，通过驱动控制器310对舵机输出轴340初始位置进行定位检测，得到舵机输出轴位置和旋转变压器的初始对应关系，再根据滚珠丝杆的导程和旋转变压器310旋转圈数计算得到舵机输出轴的实时位置，所述旋转变压器旋转圈数n，在舵机初始零位时为0，旋转变压器正向旋转过零点一次n加1，反向旋转过零点一次n减1。
本发明实施例提供的取消线位移传感器的直线电动舵机，取消了线位移传感器，简化电动舵机的结构，降低了滚珠丝杠和旋转变压器的体积和重量，从而降低电动舵机的整体的体积和重量，零部件和元器件的减少不仅有利于提高电动舵机的可靠性还更利于电动舵机的安装、拆解和维护。
如图3所示，图中为现有技术中直线电动舵机(带线位移传感器)剖面图，图中线位移传感器体积大，间接导致滚珠丝杠和旋转变压器320体积变大；
如图4所示，图中为本申请一个实施例中取消线位移传感器的电动舵机剖面图，图中取消了线位移传感器，从结构上看滚珠丝杠和旋转变压器320体积均变小。
如图5所示，本发明的另一个具体实施例，公开了一种取消线位移传感器直线的电动舵机控制方法，包括：
S500，采集旋转变压器的当前位置、舵轴初始零位和传动机构参数，实时计算舵机输出轴位置；
具体地，电动舵机总体转配完成后，电机驱动控制器310先对舵机输出轴初始位置进行定位检测，得到舵机输出轴位置和旋转变压器320的初始对应关系；直线电动舵机驱动控制器310的位置解算模块311根据旋转变压器320检测到的电机转子301的转动角度确定当前位置，以及舵机初始零位、传动机构330的导程参数，实时计算得到舵机的直线输出轴位置，根据输入指令得到位置偏差，通过控制算法运算得到永磁同步电机控制量，发送至驱动电路，驱动电机300以所需的转速、转向旋转，经传动机构330带动舵轴运动，输出所需的位置。更具体地，驱动电机转子301旋转带动滚珠丝杠螺母331旋转，滚珠丝杠螺杆带动舵轴做直线运动。
更具体地，所述电机驱动控制器包括位置解算模块，所述位置解算模块通过下式计算舵机输出轴位置l：
Figure BDA0002754241810000071
其中，θ0为电动舵机初始零位对应的旋转变压器位置值，θ1为旋转变压器当前位置值，d为滚珠丝杠导程参数，n为旋转变压器的旋转圈数。旋转圈数n实时存储于驱动控制器的存储器内。
具体地，通过驱动控制器310对舵机输出轴340初始位置进行定位检测，得到舵机输出轴位置和旋转变压器的初始对应关系，再根据滚珠丝杆的导程和旋转变压器310旋转圈数计算得到舵机输出轴的实时位置，所述旋转变压器旋转圈数n，在舵机初始零位时为0，旋转变压器正向旋转过零点一次n加1，反向过零点旋转一次n减1。
S510，根据输入的控制指令和舵机输出轴位置，对电动舵机进行控制。
具体地，根据上述计算得到的舵机输出轴位置，以及输入的控制指令，计算得到舵机输出轴位置偏差，实现对舵机直线位置的闭环控制。
与现有技术相比，本发明一种取消线位移传感器直线的电动舵机控制方法可实现如下有益效果：
本发明直线电动舵机根据旋转变压器320的当前位置、舵机初始零位以及滚珠丝杠的导程参数，计算得到舵机的直线输出轴位置，实现对舵机直线位置的闭环控制，从而取消了线位移传感器部件，可以有效简化电动舵机的结构，降低其体积重量，提升产品功质比和可靠性。
参见图6，本发明另一实施例还提供了执行上述实施例中取消线位移传感器直线的电动舵机控制方法的电子设备。该电子设备包括：
一个或多个处理器710以及存储器720，图6中以一个处理器710为例。
执行取消线位移传感器直线的电动舵机控制方法的电子设备还可以包括：输入装置730和输出装置740。
处理器710、存储器720、输入装置730和输出装置740可以通过总线或者其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。
存储器720作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本发明的实施例中的取消线位移传感器直线的电动舵机控制方法对应的程序指令/模块(单元)。处理器710通过运行存储在存储器720中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例图标显示方法。
存储器720可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储获取的应用程序的提醒事项的数量信息等。此外，存储器720可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器720可选包括相对于处理器710远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至列表项操作的处理装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置730可接收输入的数字或字符信息，以及产生与取消线位移传感器直线的电动舵机控制装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置740可包括显示屏等显示设备。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器720中，当被所述一个或者多个处理器710执行时，执行上述任意方法实施例中的取消线位移传感器直线的电动舵机控制方法。
上述产品可执行本发明的实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明的实施例所提供的方法。
本发明的实施例的电子设备可以以多种形式存在，包括但不限于：
(1)移动通信设备：这类设备的特点是具备移动通信功能，并且以提供话音、数据通信为主要目标。这类终端包括：智能手机(例如iPhone)、多媒体手机、功能性手机，以及低端手机等。
(2)超移动个人计算机设备：这类设备属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备移动上网特性。这类终端包括：PDA、MID和UMPC设备等，例如iPad。
(3)便携式娱乐设备：这类设备可以显示和播放多媒体内容。该类设备包括:音频、视频播放器(例如iPod)，掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。
(4)服务器：提供计算服务的设备，服务器的构成包括处理器、硬盘、内存、系统总线等，服务器和通用的计算机架构类似，但是由于需要提供高可靠的服务，因此在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面要求较高。
(5)其他具有提醒事项记录功能的电子装置。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元(模块)可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
本发明实施例提供了一种非暂态计算机可读存存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，其中，当所述计算机可执行指令被电子设备执行时，使所述电子设备上执行上述任意方法实施例中的取消线位移传感器直线的电动舵机控制方法。
本发明实施例提供了一种计算机程序产品，其中，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，其中，当所述程序指令被电子设备执行时，使所述电子设备执行上述任意方法实施例中的取消线位移传感器直线的电动舵机控制方法。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施例可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的原理或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种取消线位移传感器的直线电动舵机，其特征在于，包括：电机、电机驱动控制器、旋转变压器和传动机构；
所述电机的转子通过所述传动机构驱动舵机输出轴直线运动；
所述旋转变压器用于检测电机转子的转动角度；
所述电机驱动控制器用于根据输入的控制指令、旋转变压器检测到的所述电机转子的转动角度、舵轴初始零位和传动机构参数，实时计算舵机输出轴位置，并对舵机输出轴的位置进行控制。
2.根据权利要求1所述的取消线位移传感器的直线电动舵机，其特征在于，所述传动机构为滚珠丝杠。
3.根据权利要求2所述的取消线位移传感器的直线电动舵机，其特征在于，所述电机驱动控制器包括位置解算模块，所述位置解算模块通过下式计算舵机输出轴位置l：
Figure FDA0002754241800000011
其中，θ0为电动舵机初始零位对应的旋转变压器位置值，θ1为旋转变压器当前位置值，d为滚珠丝杠导程参数，n为旋转变压器的旋转圈数。旋转圈数n实时存储于驱动控制器的存储器内。
4.根据权利要求3所述的取消线位移传感器的直线电动舵机，其特征在于，所述旋转圈数n，在舵机初始零位时为0，旋转变压器正向过零点一次n加1，反向过零点一次n减1。
5.根据权利要求1或2所述的取消线位移传感器的直线电动舵机，其特征在于，所述电机包括定子铁心和转子；所述滚珠丝杠包括滚珠丝杠螺母和滚珠丝杠螺杆。
6.根据权利要求5所述的取消线位移传感器的直线电动舵机，其特征在于，所述滚珠丝杠螺母设置于转子内部，所述滚珠丝杠螺母内部设置有滚珠丝杠螺杆，所述转子带动所述滚珠丝杠螺母转动时，滚珠丝杠螺母通过内螺纹带动滚珠丝杠螺杆直线运动，所述旋转变压器固定设置于所述滚珠丝杠螺母的后端。
7.一种取消线位移传感器直线的电动舵机控制方法，其特征在于，包括：
通过旋转变压器的角度信息、舵轴初始零位、传动机构参数，获取舵机输出轴位置；
根据输入的控制指令和舵机输出轴当前位置，对电动舵机进行控制。
8.根据权利要求7所述的取消线位移传感器直线电动舵机控制方法，其特征在于，舵机输出轴位置l通过下式计算获得：
Figure FDA0002754241800000021
其中，θ0为电动舵机初始零位对应的旋转变压器位置值，θ1为旋转变压器当前位置值，d为传动机构参数，n为旋转变压器的旋转圈数。旋转圈数n实时存储于驱动控制器的存储器内。
9.根据权利要求8所述的取消线位移传感器直线电动舵机控制方法，其特征在于，所述旋转圈数n，在舵机初始零位时为0，旋转变压器正向过零点一次n加1，反向过零点一次n减1。
10.根据权利要求8所述的取消线位移传感器直线的电动舵机控制方法，其特征在于，根据计算得到的舵机输出轴位置，以及输入的控制指令，计算得到舵机输出轴位置偏差，实现对电动舵机进行控制。
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