CN115571328A - 一种飞行器用单编码器作动器及其上电自检方法 - Google Patents

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    • B64C13/24—Transmitting means
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Abstract

本发明公开一种飞行器用单编码器作动器及其上电自检方法，控制器通过矢量控制算法控制伺服电机旋转，电机通过谐波减速器带动舵臂旋转。结合谐波减速器无齿隙的特点，与作动器每次上电做行程自检时找原点，就可以通过记录的转子圈数与读取转子位置计算出输出轴舵臂位置。从而在满足高性能要求时，降低成本与安装难度。

Description

一种飞行器用单编码器作动器及其上电自检方法
技术领域
本发明涉及飞行器作动器技术领域，更具体地，涉及一种飞行器用单编码器作动器及其上电自检方法。
背景技术
作动器是一种用于位置或角度控制的伺服驱动装置，广泛用于飞行器等设备中，用于飞行器舵面控制等操作。
现有的旋转作动器主要用以下两类：1低成本方案：控制器通过6步方波算法控制空心杯电机旋转，电机经过多级平行轴齿轮减速器后带动舵臂旋转，舵臂旋转时通过电位器将输出轴位置反馈给控制器。此类作动器存在减速器齿隙大、过载性差，电机转矩脉动大，电位器重复定位精度低、稳定性差等特点，从而无法满足高性能飞行器中作动器需要响应快、精度高、稳定性好等性能要求；2高成本方法：控制器通过矢量控制算法控制伺服电机旋转，电机经过行星减速器或谐波减速器后带动舵臂旋转，舵臂旋转时通过输出绝对式编码器将输出轴位置反馈给控制器。此类作动器响应快、精度高、稳定性好，但由于采用双编码器方案，也带来成本高、安装困难、体积大等缺点。
现有技术中公开一种用于飞行器的控制面的作动器系统以及飞行器，包括：两个固定板；作动器，所述作动器设置在两个所述固定板之间并且包括连接至两个所述固定板的固定单元和传递动力的活动单元，所述活动单元包括用于将动力传递至所述飞行器的所述控制面以驱动所述控制面的输出部；以及保护装置，所述保护装置设置在两个所述固定板之间并且构造成在所述作动器的所述固定单元与所述固定板之间的连接失效时能够限制所述作动器的所述固定单元运动，其中，所述作动器的所述固定单元通过第一连接件和第二连接件连接至所述固定板，所述第一连接件和所述第二连接件设置在所述作动器的大致相反侧。该方案并未解决上述提及的问题。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种飞行器用单编码器作动器，在满足高性能要求时，降低成本与安装难度。
本发明的进一步目的是提供一种飞行器用单编码器作动器的上电自检方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种飞行器用单编码器作动器，包括控制器、伺服电机、谐波减速器、舵臂和限位柱，其中：
所述控制器的接收端接收飞控发来的控制指令，所述控制器的输出端与所述伺服电机连接，所述谐波减速器将所述伺服电机的转速减速后，带动输出轴的舵臂旋转，所述限位柱设置于所述舵臂的旋转路径上，限制舵臂的最大旋转角度，通过限位柱找到机械原点与电气零点，实现上电自检时舵臂的原点复归；
所述伺服电机上设置有电机端转子位置编码器，所述电机端转子位置编码器将所述伺服电机的转子位置和转子速度反馈至所述控制器，所述控制器还获取伺服电机的电流，所述控制器根据飞控发来的控制指令、伺服电机的转子位置、伺服电机的转子速度和伺服电机的电流计算处理后输出三相交流电至伺服电机中，驱动伺服电机。
优选地，所述控制器包括采样电路，所述控制器通过所述采样电路采集伺服电机的三相交流电。
优选地，所述控制器根据飞控发来的控制指令、伺服电机的转子位置、伺服电机的转子速度和伺服电机的电流计算处理后输出三相交流电至伺服电机中，具体为：
所述控制器接收飞控发来的控制指令后，在控制器的位置环中，通过计算控制指令值、记录的转子圈数和电机端转子位置编码器反馈的转子位置，输出给控制器的速度环一个速度指令；在控制器的速度环中，通过计算速度指令与电机端转子位置编码器反馈的速度值后，输出给控制器的电流环一个电流指令；在控制器的电流环中，通过计算电流指令与采样电路反馈的电流至，输出给控制器的坐标变换一组直轴电压Vd和交轴电压Vq；在控制器的坐标变换中，通过计算直轴电压Vd与电机端转子位置编码器反馈的转子位置，输出给控制器的逆变电路一组脉宽调制信号PWM；在控制器的逆变电路中，将脉宽调制信号PWM放大后，输出三相交流电至所述伺服电机。
优选地，所述谐波减速器为无齿隙的谐波减速器。
优选地，电机转子旋转圈数和转子位置与输出轴舵臂角度关系如下：
Figure BDA0003853131120000031
Figure BDA0003853131120000032
Figure BDA0003853131120000033
式中，θArmRelative为舵臂相对角度，单位为度；θrotor为转子角度，单位为度；N为谐波减速器减速比；R为转子位置旋转圈数；n为电机端转子位置编码器旋转一圈对应读数值；r为电机端转子位置编码器当前数值。
优选地，所述限位柱有两个，分别设置于所述舵臂的旋转路径上的机械下限限位点和机械上限限位点，其中，舵臂的旋转路径上，顺时针方向到达的最大角度位置为机械下限限位点，逆时针方向到达的最大角度位置为机械上限限位点。
优选地，在所述舵臂的的旋转路径上，从机械下限限位点到机械上限限位点之间，依次设置机械原点、电气零点和电气最大值点，其中，机械原点为舵臂的旋转运动时用于参考的机械零点，电气零点为设定的相对于机械原点的一个偏移量，作为作动器正常工作时的最小行程量，电气最大值点为设定的相对于电气零点的一个行程量，为作动器正常工作时的最大行程量。
优选地，所述上电自检时舵臂的原点复归，具体为：
上电后，舵臂从初始状态进行顺时针运动直到碰到位于机械下限限位点的限位柱，再逆时针运动直到碰到位于机械上限限位点的限位柱，顺时针运动直到电机端转子位置编码器的Z信号出现时，此时所处的位置为机械原点，在运动至设定的电气零点，完成舵臂的原点复归。
优选地，通过限位柱找到机械原点与电气零点后，舵臂绝对角度计算如下：
θArmAbsolute＝θArmRelative+θArmZero
式中，θArmAbsolute为舵臂的绝对角度，单位为度；θArmRelative为舵臂的相对角度，单位为度；θArmZero为舵臂的电气零位对应角度，单位为度。
一种如上述所述的飞行器用单编码器作动器的上电自检方法，包括以下步骤：
S1：作动器上电；
S2：寻找下机械限位：舵臂从初始状态进行顺时针运动直到碰到位于机械下限限位点的限位柱；
S3：寻找上机械限位：舵臂逆时针运动直到碰到位于机械上限限位点的限位柱；
S4：寻找机械原点：舵臂顺时针运动直到电机端转子位置编码器的Z信号出现时；
S5：舵臂运动至电气零点，完成舵臂的原点复归。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明的飞行器用单编码器作动器，控制器通过矢量控制算法控制伺服电机旋转，电机通过谐波减速器带动舵臂旋转。结合谐波减速器无齿隙的特点，与作动器每次上电做行程自检时找原点，就可以通过记录的转子圈数与读取转子位置计算出输出轴舵臂位置，从而在满足高性能要求时，降低成本与安装难度。
附图说明
图1为本发明的飞行器用单编码器作动器结构示意图。
图2为实施例提供的飞行器用单编码器作动器控制舵面示意图。
图3为实施例提供的飞行器用单编码器作动器控制示意图。
图4为实施例提供的飞行器用单编码器作动器的限位柱设置示意图。
图5为实施例提供的飞行器用单编码器作动器的上电自检方法流程示意图。
图中，1为伺服电机。2为谐波减速器，3为舵臂，4为控制器，5为限位柱。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
一种飞行器用单编码器作动器，如图1所示，包括控制器4、伺服电机1、谐波减速器2、舵臂3和限位柱5，其中：
所述控制器4的接收端接收飞控发来的控制指令，所述控制器4的输出端与所述伺服电机1连接，所述谐波减速器2将所述伺服电机1的转速减速后，带动输出轴的舵臂3旋转，所述限位柱5设置于所述舵臂3的旋转路径上，限制舵臂3的最大旋转角度，通过限位柱5找到机械原点与电气零点，实现上电自检时舵臂3的原点复归；
所述伺服电机1上设置有电机端转子位置编码器，所述电机端转子位置编码器将所述伺服电机1的转子位置和转子速度反馈至所述控制器4，所述控制器4还获取伺服电机1的电流，所述控制器4根据飞控发来的控制指令、伺服电机1的转子位置、伺服电机1的转子速度和伺服电机1的电流计算处理后输出三相交流电至伺服电机1中，驱动伺服电机1。
在具体的实施例中，如图2所示，作动器的舵臂3与飞行器的舵面连接，驱动舵面。
实施例2
本实施例公开一种飞行器用单编码器作动器，如图1所示，包括控制器4、伺服电机1、谐波减速器2、舵臂3和限位柱5，其中：
所述控制器4的接收端接收飞控发来的控制指令，所述控制器4的输出端与所述伺服电机1连接，所述谐波减速器2将所述伺服电机1的转速减速后，带动输出轴的舵臂3旋转，所述限位柱5设置于所述舵臂3的旋转路径上，限制舵臂3的最大旋转角度，通过限位柱5找到机械原点与电气零点，实现上电自检时舵臂3的原点复归；
所述伺服电机1上设置有电机端转子位置编码器，所述电机端转子位置编码器将所述伺服电机1的转子位置和转子速度反馈至所述控制器4，所述控制器4还获取伺服电机1的电流，所述控制器4根据飞控发来的控制指令、伺服电机1的转子位置、伺服电机1的转子速度和伺服电机1的电流计算处理后输出三相交流电至伺服电机1中，驱动伺服电机1。
在具体的实施例中，如图2所示，作动器的舵臂3与飞行器的舵面连接，驱动舵面。
所述控制器4包括采样电路，所述控制器4通过所述采样电路采集伺服电机1的三相交流电。
所述控制器4根据飞控发来的控制指令、伺服电机1的转子位置、伺服电机1的转子速度和伺服电机1的电流计算处理后输出三相交流电至伺服电机1中，具体为：
如图3所示，所述控制器4接收飞控发来的控制指令后，在控制器4的位置环中，通过计算控制指令值、记录的转子圈数和电机端转子位置编码器反馈的转子位置，输出给控制器4的速度环一个速度指令；在控制器4的速度环中，通过计算速度指令与电机端转子位置编码器反馈的速度值后，输出给控制器4的电流环一个电流指令；在控制器4的电流环中，通过计算电流指令与采样电路反馈的电流至，输出给控制器4的坐标变换一组直轴电压Vd和交轴电压Vq；在控制器4的坐标变换中，通过计算直轴电压Vd与电机端转子位置编码器反馈的转子位置，输出给控制器4的逆变电路一组脉宽调制信号PWM；在控制器4的逆变电路中，将脉宽调制信号PWM放大后，输出三相交流电至所述伺服电机1。
所述谐波减速器2为无齿隙的谐波减速器2。
电机转子旋转圈数和转子位置与输出轴舵臂角度关系如下：
Figure BDA0003853131120000061
Figure BDA0003853131120000062
Figure BDA0003853131120000063
式中，θArmRelative为舵臂相对角度，单位为度；θrotor为转子角度，单位为度；N为谐波减速器减速比；R为转子位置旋转圈数；n为电机端转子位置编码器旋转一圈对应读数值；r为电机端转子位置编码器当前数值。
所述限位柱5有两个，如图3所示，分别设置于所述舵臂3的旋转路径上的机械下限限位点和机械上限限位点，其中，舵臂3的旋转路径上，顺时针方向到达的最大角度位置为机械下限限位点，逆时针方向到达的最大角度位置为机械上限限位点。
在所述舵臂3的的旋转路径上，从机械下限限位点到机械上限限位点之间，依次设置机械原点、电气零点和电气最大值点，其中，机械原点为舵臂3的旋转运动时用于参考的机械零点，电气零点为设定的相对于机械原点的一个偏移量，作为作动器正常工作时的最小行程量，电气最大值点为设定的相对于电气零点的一个行程量，为作动器正常工作时的最大行程量。
所述上电自检时舵臂3的原点复归，具体为：
上电后，舵臂3从初始状态进行顺时针运动直到碰到位于机械下限限位点的限位柱5，再逆时针运动直到碰到位于机械上限限位点的限位柱5，顺时针运动直到电机端转子位置编码器的Z信号出现时，此时所处的位置为机械原点，在运动至设定的电气零点，完成舵臂3的原点复归。
通过限位柱5找到机械原点与电气零点后，舵臂3绝对角度计算如下：
θArmAbsolute＝θArmRelative+θArmZero
式中，θArmAbsolute为舵臂3的绝对角度，单位为度；θArmRelative为舵臂3的相对角度，单位为度；θArmZero为舵臂3的电气零位对应角度，单位为度。
实施例3
本实施例提供一种如实施例1和实施例2所述的飞行器用单编码器作动器的上电自检方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1：作动器上电；
S2：寻找下机械限位：舵臂3从初始状态进行顺时针运动直到碰到位于机械下限限位点的限位柱5；
S3：寻找上机械限位：舵臂3逆时针运动直到碰到位于机械上限限位点的限位柱5；
S4：寻找机械原点：舵臂3顺时针运动直到电机端转子位置编码器的Z信号出现时；
S5：舵臂3运动至电气零点，完成舵臂3的原点复归。
若步骤S2和S3未找到对应的机械限位，则自检失败。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞行器用单编码器作动器，其特征在于，包括控制器(4)、伺服电机(1)、谐波减速器(2)、舵臂(3)和限位柱(5)，其中：
所述控制器(4)的接收端接收飞控发来的控制指令，所述控制器(4)的输出端与所述伺服电机(1)连接，所述谐波减速器(2)将所述伺服电机(1)的转速减速后，带动输出轴的舵臂(3)旋转，所述限位柱(5)设置于所述舵臂(3)的旋转路径上，限制舵臂(3)的最大旋转角度，通过限位柱(5)找到机械原点与电气零点，实现上电自检时舵臂(3)的原点复归；
所述伺服电机(1)上设置有电机端转子位置编码器，所述电机端转子位置编码器将所述伺服电机(1)的转子位置和转子速度反馈至所述控制器(4)，所述控制器(4)还获取伺服电机(1)的电流，所述控制器(4)根据飞控发来的控制指令、伺服电机(1)的转子位置、伺服电机(1)的转子速度和伺服电机(1)的电流计算处理后输出三相交流电至伺服电机(1)中，驱动伺服电机(1)。
2.根据权利要求1所述的飞行器用单编码器作动器，其特征在于，所述控制器(4)包括采样电路，所述控制器(4)通过所述采样电路采集伺服电机(1)的三相交流电。
3.根据权利要求1所述的飞行器用单编码器作动器，其特征在于，所述控制器(4)根据飞控发来的控制指令、伺服电机(1)的转子位置、伺服电机(1)的转子速度和伺服电机(1)的电流计算处理后输出三相交流电至伺服电机(1)中，具体为：
所述控制器(4)接收飞控发来的控制指令后，在控制器(4)的位置环中，通过计算控制指令值、记录的转子圈数和电机端转子位置编码器反馈的转子位置，输出给控制器(4)的速度环一个速度指令；在控制器(4)的速度环中，通过计算速度指令与电机端转子位置编码器反馈的速度值后，输出给控制器(4)的电流环一个电流指令；在控制器(4)的电流环中，通过计算电流指令与采样电路反馈的电流至，输出给控制器(4)的坐标变换一组直轴电压Vd和交轴电压Vq；在控制器(4)的坐标变换中，通过计算直轴电压Vd与电机端转子位置编码器反馈的转子位置，输出给控制器(4)的逆变电路一组脉宽调制信号PWM；在控制器(4)的逆变电路中，将脉宽调制信号PWM放大后，输出三相交流电至所述伺服电机(1)。
4.根据权利要求1所述的飞行器用单编码器作动器，其特征在于，所述谐波减速器(2)为无齿隙的谐波减速器(2)。
5.根据权利要求4所述的飞行器用单编码器作动器，其特征在于，电机转子旋转圈数和转子位置与输出轴舵臂角度关系如下：
Figure FDA0003853131110000021
Figure FDA0003853131110000022
Figure FDA0003853131110000023
式中，θArmRelative为舵臂相对角度，单位为度；θrotor为转子角度，单位为度；N为谐波减速器减速比；R为转子位置旋转圈数；n为电机端转子位置编码器旋转一圈对应读数值；r为电机端转子位置编码器当前数值。
6.根据权利要求1所述的飞行器用单编码器作动器，其特征在于，所述限位柱(5)有两个，分别设置于所述舵臂(3)的旋转路径上的机械下限限位点和机械上限限位点，其中，舵臂(3)的旋转路径上，顺时针方向到达的最大角度位置为机械下限限位点，逆时针方向到达的最大角度位置为机械上限限位点。
7.根据权利要求6所述的飞行器用单编码器作动器，其特征在于，在所述舵臂(3)的的旋转路径上，从机械下限限位点到机械上限限位点之间，依次设置机械原点、电气零点和电气最大值点，其中，机械原点为舵臂(3)的旋转运动时用于参考的机械零点，电气零点为设定的相对于机械原点的一个偏移量，作为作动器正常工作时的最小行程量，电气最大值点为设定的相对于电气零点的一个行程量，为作动器正常工作时的最大行程量。
8.根据权利要求7所述的飞行器用单编码器作动器，其特征在于，所述上电自检时舵臂(3)的原点复归，具体为：
上电后，舵臂(3)从初始状态进行顺时针运动直到碰到位于机械下限限位点的限位柱(5)，再逆时针运动直到碰到位于机械上限限位点的限位柱(5)，顺时针运动直到电机端转子位置编码器的Z信号出现时，此时所处的位置为机械原点，在运动至设定的电气零点，完成舵臂(3)的原点复归。
9.根据权利要求8所述的飞行器用单编码器作动器，其特征在于，通过限位柱(5)找到机械原点与电气零点后，舵臂(3)绝对角度计算如下：
θArmAbsolute＝θArmRelative+θArmZero
式中，θArmAbsolute为舵臂(3)的绝对角度，单位为度；θArmRelative为舵臂(3)的相对角度，单位为度；θArmZero为舵臂(3)的电气零位对应角度，单位为度。
10.一种如权利要求1至9任一项所述的飞行器用单编码器作动器的上电自检方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：作动器上电；
S2：寻找下机械限位：舵臂(3)从初始状态进行顺时针运动直到碰到位于机械下限限位点的限位柱(5)；
S3：寻找上机械限位：舵臂(3)逆时针运动直到碰到位于机械上限限位点的限位柱(5)；
S4：寻找机械原点：舵臂(3)顺时针运动直到电机端转子位置编码器的Z信号出现时；
S5：舵臂(3)运动至电气零点，完成舵臂(3)的原点复归。
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