CN115218728A - 一种电动舵机及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动舵机及其控制系统，包括尾舱舱体、硬件系统和飞控系统，所述硬件系统包括若干组舵机组件、舵机控制器，若干组所述舵机组件与舵机控制器分别连接通讯，所述飞控系统与舵机控制器连接通讯。本发明的优点在于：①本发明通过采用蜗轮蜗杆的结构形式制成减速传动机构，结构简单，技术成熟，成本可控；②采用电位计作为角位置传感器，反馈灵敏，能够接收舵偏角指令完成舵面角度跟踪；③将舵机组件模块化设计安装，可减少电动舵机的整体尺寸，有利于小型化、轻量化；④通过设置总线通讯及电源接口，具备CAN总线通讯功能，方便后续升级；⑤通过采用数字化控制，使舵机控制精准，提升设计精准度，便于飞控系统控制。
Description
技术领域
本发明涉及电动伺服技术领域，具体是指一种电动舵机。
背景技术
舵机系统是一种具有高精度、高响应速度特性的位置(角度)伺服系统，其作为飞行器舵面控制的执行机构而广泛应用于特种飞行器中，通过接收制导系统给出的舵面偏转信号，转化并输出相应的控制指令来实现特种舵面的偏转，从而改变特种飞行器的运动姿态或飞行轨迹，从而达到控制特种飞行器飞行状态的目的。
目前电动舵机作为伺服执行机构，具有结构简单，加工装配容易等特点，在无人机、特种飞行器中得到越来越广泛的应用。减速器作为电动舵机的重要部件，在舵机系统中多采用谐波减速模式。目前，谐波行星齿轮传动式电动舵机广泛应用于航天航空领域，实现飞行器舵面偏转。谐波齿轮传动依靠薄壁零件柔性的弹性变形来实现运动转换，主要零件为柔轮、刚轮和波发生器。但是，谐波齿轮传动的齿轮模数较小，机加工工艺复杂、效率低、对刀具要求较高；并且，柔性零件在使用过程中容易产生疲劳破坏，寿命有限。因此，这种谐波齿轮传动一般只能承受纯扭矩负载，复合负载能力差；当承受扭矩、弯矩和轴向力等的复合负载时，负载能力明显下降，甚至不能正常传动。并且，谐波行星齿轮传动式电动舵机中包含有凸轮、柔轮、定刚轮和各种支撑轴承等数量繁多的零件，这使得其总体重量较重，且现有的舵机不具备CAN总线通讯功能，传输速率低，不利于后续升级。
发明内容
本发明要解决的是现有电动舵机数字化控制程度低、减速机构复杂的技术问题，在保持现有控制精度及随动速率不变的前提下，提供一种数字化控制程度高、具有升级潜力、工作稳定的电动舵机及其控制系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种电动舵机及其控制系统，包括尾舱舱体、硬件系统和飞控系统，所述硬件系统包括若干组舵机组件、舵机控制器，若干组所述舵机组件与舵机控制器分别连接通讯，所述飞控系统与舵机控制器连接通讯；
所述舵机组件包括安装框架、减速传动机构、反馈测量机构、舵面弹出机构及舵面，所述安装框架设置在所述尾舱舱体中，所述减速传动机构、反馈测量机构、舵面弹出机构及舵面设置在安装框架上，所述舵机控制器设置在减速传动机构上，所述减速传动机构采用蜗轮蜗杆的传动结构形式，所述减速传动机构驱动舵面偏转并由反馈测量机构对舵面偏转角度进行监测，所述舵面贯穿尾舱舱体的侧壁设置，所述舵机控制器采用单片机控制且舵机控制器上设有对外接口，包括总线通讯及电源接口和测量机构接口分别与减速传动机构和反馈测量机构连接通讯，所述舵机控制器分别对若干组舵机组件进行单独控制，所述舵机控制器上设有电源转换模块为减速传动机构和反馈测量机构供电，所述舵机控制器接收舵指令信号及反馈测量机构反馈信号并解算形成PWM信号对减速传动机构进行控制。
作为改进，所述尾舱舱体的侧壁上环向间隔均匀设有若干槽孔，所述安装框架分别靠槽孔处设置且舵面分别贯穿槽孔。
作为改进，所述减速传动机构包括设置在安装框架顶端的电机，所述电机的传动轴套设有联轴节，所述联轴节远离电机传动轴的一端套设有蜗杆，所述蜗杆上靠一侧配合有蜗轮，所述安装框架上在蜗杆的一侧设有舵轴，所述蜗轮远离蜗杆的一侧套设在舵轴上。
作为改进，所述舵轴与安装框架之间套设有舵轴轴承，所述舵轴上靠一侧端部设有螺钉与舵面连接固定，所述舵轴上远离所述舵面的一侧设有舵轴螺母。
作为改进，所述反馈测量机构包括设置在涡轮上且与舵轴同轴的反馈扇形齿轮，所述反馈扇形齿轮上啮合有反馈齿片，所述安装框架上在远离设有蜗杆的一侧设有传感器支架，所述传感器支架上设有角位置传感器，所述角位置传感器的输入轴上套设有反馈小齿轮，所述反馈齿片套设在所述反馈小齿轮上。
作为改进，所述舵面弹出机构包括在舵轴中且在舵面的上方设有滑槽，所述滑槽中设有钢球，所述滑槽中在钢球与舵轴之间设有弹簧，所述钢球与舵面抵贴。
作为改进，所述舵机控制器设置在电机的顶部，舵机控制器通过总线通讯及电源接口与电机进行通讯、电源输入及输出电机驱动电流，测量机构接口接收反馈测量机构反馈信号。
作为改进，所述角位置传感器采用导电塑料电位计。
本发明与现有技术相比的优点在于：
①本发明通过采用蜗轮蜗杆的结构形式制成减速传动机构，加工难度低，结构简单、稳定，技术成熟，成本可控；
②采用电位计作为角位置传感器，反馈灵敏，能够接收舵偏角指令完成舵面角度跟踪；
③将舵机组件模块化设计安装，可减少电动舵机的整体尺寸，有利于小型化、轻量化；
④通过设置总线通讯及电源接口，具备CAN总线通讯功能，方便后续升级；
⑤通过采用数字化控制，使舵机控制精准，提升设计精准度，便于飞控系统控制。
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方法、实施方式和特征将会更加清晰。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的俯视图。
图3是本发明电动舵机的结构示意图一。
图4是本发明电动舵机的结构示意图二。
图5是本发明电动舵机的结构示意图三。
图6是本发明电动舵机的结构示意图四。
图7是本发明舵面折叠示意图。
图8是本发明舵面展开示意图。
图9是本发明单个通道舵机回路信号处理示意图。
图10是本发明单通道系统回路整体仿真模型示意图。
图11是本发明利用MATLAB完成各模块传递参数建模示意图。
图12是本发明空载正弦输入条件下系统响应仿真曲线示意图。
图13是本发明满载正弦输入条件下系统响应仿真曲线示意图。
图14是本发明空载条件下系统闭环幅频特性仿真曲线示意图。
图15是本发明满载条件下系统闭环幅频特性仿真曲线示意图。
图16是本发明舵机控制器总体方案框图。
图17是本发明电源系统方案框图。
如图所示：1、尾舱舱体；2、槽孔；3、安装框架；4、电机；5、蜗杆；6、蜗轮；7、舵轴；8、舵轴轴承；9、舵轴螺母；10、反馈扇形齿轮；11、反馈齿片；12、传感器支架；13、角位置传感器；14、反馈小齿轮；15、舵面；16、滑槽；17、钢球；18、弹簧；19、舵机控制器；20、螺钉。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面结合全文对本发明做进一步的详细说明。
结合图1～图8，一种电动舵机及其控制系统，包括尾舱舱体1、硬件系统和飞控系统，硬件系统包括四组舵机组件、舵机控制器19，四组舵机组件与舵机控制器分别连接通讯，飞控系统与舵机控制器19连接通讯；
舵机组件包括安装框架3、减速传动机构、反馈测量机构、舵面弹出机构及舵面15，安装框架3设置在尾舱舱体1中，减速传动机构、反馈测量机构、舵面弹出机构及舵面15设置在安装框架3上，舵机控制器19设置在减速传动机构上，减速传动机构采用蜗轮蜗杆的传动结构形式，减速传动机构驱动舵面15偏转并由反馈测量机构对舵面15偏转角度进行监测，舵面15贯穿尾舱舱体1的侧壁设置，舵机控制器19采用单片机控制且舵机控制器19上设有对外接口，包括总线通讯及电源接口和测量机构接口分别与减速传动机构和反馈测量机构连接通讯，舵机控制器19分别对四组舵机组件进行单独控制，舵机控制器19上设有电源转换模块为减速传动机构和反馈测量机构供电，舵机控制器19接收舵指令信号及反馈测量机构反馈信号并解算形成PWM信号对减速传动机构进行控制。
尾舱舱体1的侧壁上环向间隔均匀设有四个槽孔2，安装框架3分别靠槽孔2处设置且舵面15分别贯穿槽孔2。
减速传动机构包括设置在安装框架3顶端的电机4，电机4的传动轴套设有联轴节，联轴节远离电机4传动轴的一端套设有蜗杆5，蜗杆5上靠一侧配合有蜗轮6，安装框架3上在蜗杆5的一侧设有舵轴7，蜗轮6远离蜗杆5的一侧套设在舵轴7上。
舵轴7与安装框架3之间套设有舵轴轴承8，舵轴7上靠一侧端部设有螺钉20与舵面15连接固定，舵轴7上远离舵面15的一侧设有舵轴螺母9。
反馈测量机构包括设置在涡轮6上且与舵轴7同轴的反馈扇形齿轮10，反馈扇形齿轮10上啮合有反馈齿片11，安装框架3上在远离设有蜗杆5的一侧设有传感器支架12，传感器支架12上设有角位置传感器13，角位置传感器13的输入轴上套设有反馈小齿轮14，反馈齿片11套设在反馈小齿轮14上。
舵面弹出机构包括在舵轴7中且在舵面15的上方设有滑槽16，滑槽16中设有钢球17，滑槽16中在钢球17与舵轴7之间设有弹簧18，钢球17与舵面15抵贴。
舵机控制器19设置在电机4的顶部，舵机控制器19通过总线通讯及电源接口与电机4进行通讯、电源输入及输出电机驱动电流，测量机构接口接收反馈测量机构反馈信号。
角位置传感器13采用导电塑料电位计。
信号处理采用ST公司STM32系列ARM作为主控芯片，其最大工作主频70MHz以上，采用2.0-3.6V的电源供电系统和I/O接口的驱动电压，具有上电复位POR、掉电复位PDR和可编程的电压探测器PVD，内部40KHz的振荡电路，具有6路可编程PWM输出通道，能满足本方案4路舵机控制需求，片内集成Flash存储器和SRAM存储器，满足舵机控制算法的解算。
电动舵机由伺服电机、导电塑料电位计、减速传动机构及舵机控制器19(外围电路含控制软件)组成，弹上能源为舵机控制器19、电机4及角位置传感器13提供工作能源，伺服电机采用直流有刷电机或直流无刷电机中的任意一种。
电动舵机采用舵面偏角位置伺服方案，回路控制算法通过舵机控制器19中的ARM单片机及外围电路实现，其主要工作过程如下：飞行器电源激活后输出28V标称电压，其中一路28V电压通过电源转换模块给导电塑料电位计供电，一路28V电压用于驱动电机，ARM芯片利用经舵机控制器19解算的舵指令信号与导电塑料电位计检测到的舵偏位置电压信号求和，形成误差量用于控制算法解算，ARM芯片完成算法处理后形成电机控制用的脉宽调制信号即PWM信号，PWM信号经隔离电路和栅级放大电路后加到桥堆功率放大器，将信号功率放大，驱动直流有刷伺服电机旋转，直流有刷伺服电机输出扭矩和转速，通过传动机构传递到输出轴-舵面，在克服外界气动铰链力矩情况下，操纵空气舵面按照规定的角度偏转。
舵机四通道独立工作，分别根据各自输入信号及反馈信号完成舵机控制校正网络计算等信号处理，四路通道独立计算及输出，相互之间完全独立，单个通道舵机回路信号处理示意图如图9所示，舵机控制器19总体控制方案如图16所示。
舵机采用了位置单回路反馈控制设计，舵机控制校正网络采用了经典PID控制，可使用较为简洁的控制网络及参数，较少的信号处理计算占用资源，实现在各种负载条件下鲁棒性强、高精度的舵机控制，单通道系统回路整体仿真模型如图10所示。
利用MATLAB完成各模块传递参数建模如图11所示。
对建立的模型结合PID参数开展闭环初步仿真，按照指标负载要求，在空载和负载条件下分别开展正弦指令跟踪仿真，阶跃指令跟踪仿真及幅频特性分析仿真，如图12～图15所示。
电源系统考虑到系统信号隔离及EMC需求，对控制电B1输入级进行一次EMC滤波，滤波后的一次电源后级使用DC/DC变换成后级工作所需要的+15V、-15V及5V电源，+15V、-15V电源提供电源给反馈信号缓冲电路、AD工作电源和反馈电位计供电，5V电源通过LDO变换成中央信号处理单片机所需要的电源，5V电源还提供给单片机外围隔离电路信号端供电，B2功率电源给功率芯片输入功率电流，整个电源系统如图17所示。
舵机反馈信号通过接插件输入到舵机控制器19后，经过一级信号调理，进入AD采集电路进行数字量化，量化完的反馈信号与从串行通道输入到单片机的指令信号合成，形成舵机控制所需要的误差量，误差量经过一定的校正网络解算，通过片内集成PWM信号产生模块进行PWM转换，PWM信号通过专用I/O输出到后级缓冲电路，再经过隔离，输入到后级功率驱动电路中。
信号调理电路同时采集隔离后的舵机电流信号，经过AD转化，形成舵机电流信号，供舵机控制器19进行电流内环解算使用。控制设计考虑防电磁干扰电路设计，电路板组合固定在全封闭盒体内，进一步保证控制器电器元件可靠安全。
功率驱动电路兼顾到小型化、低成本和可靠性需求，采用工业级单片H桥集成电路，该电路内置双路功率H桥，最大耐压70V，双路逆变H桥并联使用后最大可持续输出电流可达14A，尖峰瞬时输出24A，最大PWM载频达100KHz以上，完全可满足电机驱动所需，同时其内部自带死区控制电路可大幅简化控制电路。
舵机控制软件控制舵机工作，舵机控制软件运行在舵机控制器19的单片机中，舵机控制软件主要功能是接收舵指令信号，采集舵反馈，采集电流模拟信号，并根据这些信息完成控制算法解算，输出相应占空比的PWM信号驱动功率电路，以便实现对执行机构的控制，实时上传舵机运行状态、关键部件状态信息以及自检测BIT结果，具体功能包括：
①通过数据总线接收来自飞控系统的舵机控制指令；
②采集舵机位置反馈信号、电流反馈信号等；
③完成舵回路位置环的算法解算；
④对舵机进行状态监控，形成舵机检测BIT信号；
⑤通过总线向飞控系统回传舵机控制器工作状态。
舵机控制软件由系统初始化、信息交互、信号处理、模型监控部分组成，具体描述如下：
系统初始化：包括系统初始化、设备驱动、中断处理和硬件管理四个功能模块，完成舵机控制器的初始化，为舵机控制器正常工作建立必要的环境，设备驱动包括总线通讯驱动程序、AD驱动程序以及看门狗驱动程序，完成系统外部设备和内部资源的驱动，硬件管理包括系统的硬件资源管理(片上资源管理、外界设备资源管理)和故障信号管理；
信息交互：完成来自飞控系统指令解析、控制算法解算，并输出相应的PWM控制信号；
信号处理：完成四路舵机的矫正网络独立计算；
模型监控：将舵机输出的位置信号和舵控器输出的控制指令与舵回路特征模型进行比较，监控控制器输出是否故障。
电动舵机由四个功能独立的舵机通道组成，舵机输出功率为转矩与角速度的乘积，设计输出功率需大于负载功率需求，并留有一定的余量，舵机负载功率输出计算公式为：
P＝T×ω…………………………(1)
式中：
P—负载输出功率，W；T—负载转矩，Nm；ω—负载角速度，rad/s。
以铰链力矩为1.7Nm为额定负载，此时最大舵偏角速度需求为200°/s，舵机设计方案采用蜗轮蜗杆传功方式，取机械系统的传动效率η为0.7，结合以上数据，计算结果如下：
考虑到设计余量选用电机的额定输出功率为20W。选用某电机厂生产的直流有刷伺服电机，下表1为直流有刷伺服电机的主要技术参数。
| 额定电压 | 28V | 重量 | <170g | 额定功率 | >22W |
| 额定转矩 | 0.07Nm | 额定转速 | >3000r/min | 结构尺寸 | Φ30×55 |
舵机减速传动机构传动比为36，按传动效率0.7计算，输出的负载不小于1.76Nm，舵偏角速度不小于300°/s，输出轴形式、对外安装接口充分满足总体接口要求，能够布局到内径φ45mm，外径φ137mm的环形空间内，减速传动机构高度为65mm，电机长度为55mm，电动舵机叠加总长度约为120mm，加上舵机控制器19的高度，可以满足小于172mm的要求。
在电动舵机中，反馈测量机构用于测量舵偏角信息，进入闭环系统作为控制信号，反馈测量机构的精度和分辨率对系统的控制精度有很大影响，考虑到体积、振动环境和温度环境要求，选用电位计作为舵偏角传感器，电位计具有旋转范围大、精度高、摩擦转矩小、寿命长等优势，通过与舵轴固联的扇形齿轮将舵轴偏转角度传递到反馈齿轮，反馈齿轮和电位计轴固联，两齿轮啮合，把舵面-舵轴的角位置转换成同比的电位计电压输出，扇形齿轮与反馈齿轮可以实现舵轴偏转角度的放大，从而达到提高反馈测量机构的分辨率和精度，电位计电源电压为±15V，有效角度300°。
舵面弹出机构采用弹簧18、钢球17结构形式，舵面15折叠时，舵轴7内孔滑槽16中的弹簧18压缩，舵面15绕舵轴7上的螺钉销轴回转，舵面15折叠收拢到尾舱舱体1内，舵面15展开时，弹簧18驱动钢球17，钢球17顶住舵面15，舵面15绕舵轴7上的螺钉销轴回转展开，通过舵面15根部与舵轴7的结构限位达到控制展开位置。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种电动舵机及其控制系统，包括尾舱舱体(1)、硬件系统和飞控系统，其特征在于：所述硬件系统包括若干组舵机组件、舵机控制器(19)，若干组所述舵机组件与舵机控制器分别连接通讯，所述飞控系统与舵机控制器(19)连接通讯；
所述舵机组件包括安装框架(3)、减速传动机构、反馈测量机构、舵面弹出机构及舵面(15)，所述安装框架(3)设置在所述尾舱舱体(1)中，所述减速传动机构、反馈测量机构、舵面弹出机构及舵面(15)设置在安装框架(3)上，所述舵机控制器(19)设置在减速传动机构上，所述减速传动机构采用蜗轮蜗杆的传动结构形式，所述减速传动机构驱动舵面(15)偏转并由反馈测量机构对舵面(15)偏转角度进行监测，所述舵面(15)贯穿尾舱舱体(1)的侧壁设置，所述舵机控制器(19)采用单片机控制且舵机控制器(19)上设有对外接口，包括总线通讯及电源接口和测量机构接口分别与减速传动机构和反馈测量机构连接通讯，所述舵机控制器(19)分别对若干组舵机组件进行单独控制，所述舵机控制器(19)上设有电源转换模块为减速传动机构和反馈测量机构供电，所述舵机控制器(19)接收舵指令信号及反馈测量机构反馈信号并解算形成PWM信号对减速传动机构进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种电动舵机及其控制系统，其特征在于：所述尾舱舱体(1)的侧壁上环向间隔均匀设有若干槽孔(2)，所述安装框架(3)分别靠槽孔(2)处设置且舵面(15)分别贯穿槽孔(2)。
3.根据权利要求2所述的一种电动舵机及其控制系统，其特征在于：所述减速传动机构包括设置在安装框架(3)顶端的电机(4)，所述电机(4)的传动轴套设有联轴节，所述联轴节远离电机(4)传动轴的一端套设有蜗杆(5)，所述蜗杆(5)上靠一侧配合有蜗轮(6)，所述安装框架(3)上在蜗杆(5)的一侧设有舵轴(7)，所述蜗轮(6)远离蜗杆(5)的一侧套设在舵轴(7)上。
4.根据权利要求3所述的一种电动舵机及其控制系统，其特征在于：所述舵轴(7)与安装框架(3)之间套设有舵轴轴承(8)，所述舵轴(7)上靠一侧端部设有螺钉(20)与舵面(15)连接固定，所述舵轴(7)上远离所述舵面(15)的一侧设有舵轴螺母(9)。
5.根据权利要求1所述的一种电动舵机及其控制系统，其特征在于：所述反馈测量机构包括设置在涡轮(6)上且与舵轴(7)同轴的反馈扇形齿轮(10)，所述反馈扇形齿轮(10)上啮合有反馈齿片(11)，所述安装框架(3)上在远离设有蜗杆(5)的一侧设有传感器支架(12)，所述传感器支架(12)上设有角位置传感器(13)，所述角位置传感器(13)的输入轴上套设有反馈小齿轮(14)，所述反馈齿片(11)套设在所述反馈小齿轮(14)上。
6.根据权利要求1所述的一种电动舵机及其控制系统，其特征在于：所述舵面弹出机构包括在舵轴(7)中且在舵面(15)的上方设有滑槽(16)，所述滑槽(16)中设有钢球(17)，所述滑槽(16)中在钢球(17)与舵轴(7)之间设有弹簧(18)，所述钢球(17)与舵面(15)抵贴。
7.根据权利要求1所述的一种电动舵机及其控制系统，其特征在于：所述舵机控制器(19)设置在电机(4)的顶部，舵机控制器(19)通过总线通讯及电源接口与电机(4)进行通讯、电源输入及输出电机驱动电流，测量机构接口接收反馈测量机构反馈信号。
8.根据权利要求5所述的一种电动舵机及其控制系统，其特征在于：所述角位置传感器(13)采用导电塑料电位计。
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