CN209057123U - 一种用于电动舵机的伺服机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于电动舵机的伺服机构，包括若干个用以产生逆压电效应的压电陶瓷、与全部压电陶瓷相连并用以当全部压电陶瓷施加电场时产生振动的环形定子以及用以产生谐波运动的柔轮，位于环形定子与柔轮之间设有用以调节环形定子振动的频率与幅度的降频增幅部；还包括用以与柔轮配合连接以供柔轮产生谐波运动的刚轮以及与柔轮啮合、用以输出柔轮的谐波运动的输出轮。上述伺服机构无电磁干扰产生，控制特性好，可以满足输出扭矩大、转速低、效率高以及应用范围更广的要求，同时，可以提高伺服作动系统的控制精度，降低控制成本，节约安装空间。

Description

一种用于电动舵机的伺服机构

技术领域

本实用新型涉及超声振动技术领域，特别涉及一种用于电动舵机的伺服机构。

背景技术

电动舵机是指用于导弹、无人机、机器人等的伺服作动系统，接收上位机给定的位置指令，驱动舵机带动舵面偏转，同时通过反馈电位计将舵偏信号实时反馈给驱动控制器，形成闭环控制，从而可以保证舵面在一定响应时间内以一定的精度趋近目标位置，其性能直接影响到导弹的性能。

根据逆压电效应原理发展而来的超声电机，近年来被初步应用于电动舵机方面，超声电机具有低转速、响应速度快、无电磁干扰、位置分辨率高、低温特性好等优点。然而，超声电机的输出扭矩较低而限制了应用范围，超声电机本身是一种电机，超声电机通过传统的摩擦方式带动输出轴转动，虽然省去了减速器，但是输出的扭矩较低，效率较低，还是很难达到导弹、无人机等应用需求。

因此，如何避免由于超声电机通过传统摩擦方式带动输出轴转动而导致其扭矩较低、应用范围较窄，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于电动舵机的伺服机构，该伺服机构可以解决由于超声电机通过传统摩擦方式带动输出轴转动而导致其扭矩较低、应用范围较窄的问题，该机构省去了伺服电机和位置传感器，能够满足大扭矩、低转速的电动舵机需求。

为实现上述目的，本实用新型提供一种用于电动舵机的伺服机构，包括若干个用以产生逆压电效应的压电陶瓷、与全部所述压电陶瓷相连并用以当全部所述压电陶瓷施加电场时产生振动的环形定子以及用以产生谐波运动的柔轮，位于所述环形定子与所述柔轮之间设有用以调节所述环形定子振动的频率与幅度的降频增幅部；还包括用以与所述柔轮配合连接以供所述柔轮产生谐波运动的刚轮以及与所述柔轮啮合、用以输出所述柔轮的谐波运动的输出轮。

优选地，还包括用以安装全部所述压电陶瓷的基体，所述基体与所述刚轮固接，且所述基体为刚性基体。

优选地，还包括与所述基体连接、用以固定所述基体的机架。

优选地，所述环形定子具体为柔性开槽定子。

优选地，所述降频增幅部具体为树脂玻纤材料的降频增幅部。

优选地，还包括设于所述环形定子与所述降频增幅部之间、用以传递动力的柔性轴承。

优选地，还包括与所述输出轮固接、用以带动外部设备旋转的输出轴。

优选地，所述输出轮与所述输出轴通过平键连接。

优选地，还包括与所述压电陶瓷相连、用以施加预设功率的交流电至所述压电陶瓷的逆变器。

相对于上述背景技术，本实用新型针对电动舵机的不同要求，设计了应用于电动舵机的伺服机构。超声电机本身是一种电机，省去了减速器，虽然输出了一定的扭矩，降低了转速，但要达到导弹、无人机等应用需求就需要开发新的技术。因此，深入研究超声振动原理，并开发一种开发性能成熟、应用范围广的伺服机构很有必要，该伺服机构能够满足大扭矩、低转速电动舵机的需求。

具体来说，上述伺服机构包括若干个压电陶瓷、环形定子、降频增幅部、柔轮、刚轮以及输出轮，其中，压电陶瓷能够产生逆压电效应；环形定子与全部压电陶瓷相连，当通过向全部压电陶瓷施加电场时，环形定子能够产生微幅振动；这样一来，伺服机构通过利用压电陶瓷材料的逆压电效应将电能转换为机械能，从而可以使环形定子产生超声频率段的微幅振动，区别于超声电机通过定子与转子之间的摩擦方式，伺服机构能够将这种微观振动转换成宏观运动形式(转动或直线运动)；降频增幅部位于环形定子与柔轮之间，降频增幅部能够通过降频增幅的手段使环形定子的微米级的振动放大之后可以满足机械传动的需求；柔轮与刚轮配合连接，从而可以产生谐波运动，输出轮始终与柔轮啮合并能够输出柔轮的谐波运动，从而可以实现大减速比输出；相比传统应用于机电伺服作动系统的装置，这样的设置方式无电磁干扰产生，控制特性好，并且可以满足伺服机构输出扭矩大、转速低、效率高，应用范围更广的要求，同时，伺服机构省去了常规的伺服电机以及位置传感器，可以提高伺服作动系统的控制精度，并可以降低控制成本、节约安装空间。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例所提供的用于电动舵机的伺服机构的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所提供的用于电动舵机的伺服机构的驱动原理图。

其中：

1-机架、2-基体、3-压电陶瓷、4-环形定子、5-降频增幅部、6-柔轮、7-输出轮、8-刚轮、9-输出轴。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种用于电动舵机的伺服机构，该伺服机构可以解决由于超声电机通过传统摩擦方式带动输出轴转动而导致其扭矩较低、应用范围较窄的问题，该机构省去了伺服电机和位置传感器，能够满足大扭矩、低转速的电动舵机需求。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本实用新型实施例所提供的用于电动舵机的伺服机构的结构示意图；图2为本实用新型实施例所提供的用于电动舵机的伺服机构的驱动原理图。

本实用新型实施例所提供的用于电动舵机的伺服机构，包括若干个压电陶瓷3、环形定子4、降频增幅部5、柔轮6、刚轮8以及输出轮7，其中，压电陶瓷3能够产生逆压电效应；环形定子4与全部压电陶瓷3紧密接触，通过向全部压电陶瓷3施加电场，此时，通过逆压电效应，环形定子4能够以行波形式产生高频微幅振动。

这样一来，伺服机构通过利用压电陶瓷3的逆压电效应将电能转换为机械能，从而可以使环形定子4产生超声频率段的微幅振动，该超声频率段的频率在20kHz以上，区别于超声电机通过定子与转子之间的摩擦方式，伺服机构能够进一步将这种微观振动转换成机械转动。

当然，根据实际需要，压电陶瓷3的数量可以有不同的设置形式，例如，可以通过设置两块独立的压电陶瓷3，并且通过调频控制，使得两块压电陶瓷3同步振动，这样可以产生对称行波运动，从而使环形定子4以行波形式产生高频微幅振动。

在本实用新型实施例中，由于该高频微幅振动不能为普通机械传动所识别，因此，需要通过降频增幅的手段使环形定子4的振动增幅，进一步的，通过在环形定子4与柔轮6之间设置降频增幅部5，降频增幅部5能够使环形定子4的微米级的振动放大，进而可以满足机械传动的需求。

在这里，环形定子4可以设置为柔性开槽定子，也就是说，该开槽定子可以在外力作用下发生弹性形变，从而可以满足行波传动需求；环形定子4通过摩擦作用带动降频增幅部5运动，当然，为了保证环形定子4与降频增幅部5传动的稳定性与牢靠性，还可以在环形定子4与降频增幅部5之间增设摩擦片。

为了满足上述降频增幅的功能，该降频增幅部5具体可以设置为树脂玻纤材料的部件，树脂玻纤材料是以树脂为基体材料，用玻璃纤维增强的一种复合材料。

此外，为了实现降频增幅部5与柔轮6传动的稳定性，还可以在降频增幅部5与柔轮6之间设置轴承，该轴承具体可以设置为柔性轴承，柔性轴承在工作中，柔性轴承的内圈安装在降频增幅部5的外侧壁上，工作中承受循环应力载荷，柔性轴承的外圈安装在柔轮6上，工作中能够发生弹性变形，不仅承受循环应力载荷，而且承受交变应力载荷。

柔性轴承的型号、大小可以根据降频增幅部5与柔轮6的实际工况进行调整，柔性轴承的工作原理以及柔性轴承与降频增幅部5和柔轮6的连接可以参照现有部分的相关技术要求，此处将不再展开。

柔轮6与刚轮8配合连接，从而可以产生谐波运动；当两块独立的压电陶瓷3(当然也可以使用多块压电陶瓷)产生对称耦合行波时，通过环形定子4的振动传递行波运动，从而可以带动柔轮6与刚轮8啮合。

具体地说，柔轮6具体为可以产生径向弹性变形并带有外齿的齿轮，刚轮8具体为具有内齿的齿轮，并且柔轮6的外齿数少于刚轮8的内齿数，这样一来，当刚轮8固定时，压电陶瓷3产生的行波运动带动柔轮6的外齿将依次啮入和啮出刚轮8的内齿，柔轮6齿圈上的任意一点的径向位移将呈近似于正弦波形的变化，这样即可实现柔轮6的谐波运动。

输出轮7始终与柔轮6啮合，当然，根据实际工况要求，输出轮7也可以设置为带有外齿的齿轮部件，并且输出轮7的外齿数与柔轮6的外齿数相同，这样一来，当柔轮6产生谐波运动时，输出轮7能够输出柔轮6的谐波运动，这样即可实现大减速比输出。

进一步的，伺服机构还包括输出轴9，该输出轴9与输出轮7固接，输出轴9可以通过带动外部设备运动以传递谐波运动，从而满足外部设备的运动要求，输出轴9与输出轮7的连接方式可以设置为通过普通平键连接，并可以通过设置弹性挡圈对平键进行限位，从而保证输出轴9与输出轮7传动的牢靠性。

在上述基础上，伺服机构还包括基体2以及机架1，其中，基体2具体为刚性基体，基体2与刚轮8固接，这样即可保证刚轮8的固定，此外，全部压电陶瓷3均安装在基体2上，并且压电陶瓷3压紧于基体2上；基体2固定安装在机架1上，机架1能够固定支撑基体2并保证伺服机构运行的稳定性。

为了优化上述实施例，伺服机构还设有逆变器，该逆变器与压电陶瓷3相连，例如，该逆变器可以设置为DC-AC逆变器，根据实际需要，DC-AC逆变器能够向压电陶瓷3施加一定功率的超声频段的交流信号。

为了满足伺服机构驱动需求，可以通过可调频率发生器、分频分相器以及功放等组成控制回路进行调频调速，伺服机构的驱动原理如图2所示。具体地说，根据环形定子4的共振频率，确定驱动频率，通过数学建模和仿真建立两块独立压电陶瓷3机电耦合模型，确定匹配电路来改善波形，最终调节谐振点附近的频率来控制速度和力矩；通过频率发生器产生驱动频率，分频分相器再将频率信号生成有相位差的方波信号，通过功放(匹配电路)将信号放大，控制压电陶瓷3产生微幅高频振动。

相比传统应用于机电伺服作动系统的装置，这样的设置方式无电磁干扰产生，控制特性好，并且可以满足伺服机构输出扭矩大、转速低、效率高，应用范围更广的要求，同时，伺服机构省去了常规的伺服电机以及位置传感器，可以提高伺服作动系统的控制精度，并可以降低控制成本、节约安装空间。

以上对本实用新型所提供的用于电动舵机的伺服机构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于电动舵机的伺服机构，其特征在于，包括若干个用以产生逆压电效应的压电陶瓷(3)、与全部所述压电陶瓷(3)相连并用以当全部所述压电陶瓷(3)施加电场时产生振动的环形定子(4)以及用以产生谐波运动的柔轮(6)，位于所述环形定子(4)与所述柔轮(6)之间设有用以调节所述环形定子(4)振动的频率与幅度的降频增幅部(5)；还包括用以与所述柔轮(6)配合连接以供所述柔轮(6)产生谐波运动的刚轮(8)以及与所述柔轮(6)啮合、用以输出所述柔轮(6)的谐波运动的输出轮(7)。

2.根据权利要求1所述的用于电动舵机的伺服机构，其特征在于，还包括用以安装全部所述压电陶瓷(3)的基体(2)，所述基体(2)与所述刚轮(8)固接，且所述基体(2)为刚性基体。

3.根据权利要求2所述的用于电动舵机的伺服机构，其特征在于，还包括与所述基体(2)连接、用以固定所述基体(2)的机架(1)。

4.根据权利要求3所述的用于电动舵机的伺服机构，其特征在于，所述环形定子(4)具体为柔性开槽定子。

5.根据权利要求4所述的用于电动舵机的伺服机构，其特征在于，所述降频增幅部(5)具体为树脂玻纤材料的降频增幅部。

6.根据权利要求5所述的用于电动舵机的伺服机构，其特征在于，还包括设于所述环形定子(4)与所述降频增幅部(5)之间、用以传递动力的柔性轴承。

7.根据权利要求6所述的用于电动舵机的伺服机构，其特征在于，还包括与所述输出轮(7)固接、用以带动外部设备旋转的输出轴(9)。

8.根据权利要求7所述的用于电动舵机的伺服机构，其特征在于，所述输出轮(7)与所述输出轴(9)通过平键连接。

9.根据权利要求1至8任一项所述的用于电动舵机的伺服机构，其特征在于，还包括与所述压电陶瓷(3)相连、用以施加预设功率的交流电至所述压电陶瓷(3)的逆变器。