一種無(wú)人機(jī)用分布式電動(dòng)舵機(jī)的研究

冉令峰

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)人機(jī)用分布式電動(dòng)舵機(jī)，主要采用RS-422總線和分布式布局的設(shè)計(jì)思路，完成了控制電路、功率放大電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制軟件的設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過多學(xué)科的聯(lián)合仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，證明該電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性，以滿足無(wú)人機(jī)對(duì)電動(dòng)舵機(jī)的需求。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);分布式;電動(dòng)舵機(jī);聯(lián)合仿真

Abstract： In this paper， a distributed electric actuator for UAV was designed. The control circuit， power amplifier circuit， actuator and control software were designed by using RS-422 bus and distributed layout. At the same time， through multi-disciplinary joint simulation and experimental verification， the rationality and feasibility of the design scheme of the electric actuator were proved to meet the requirements of the UAV for the electric actuator.

Keywords： UAV;distributed;electro actuator;joint simulation

無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱為無(wú)人機(jī)，是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)[1]。無(wú)人機(jī)能根據(jù)任務(wù)需要來(lái)搭載不同載荷，同時(shí)能進(jìn)行回收，重復(fù)使用。在軍事領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)因具有高靈活性、可搭載多載荷、工作時(shí)間長(zhǎng)、生存能力強(qiáng)、較低的維修成本等優(yōu)點(diǎn)[2，3]，可以更好地完成監(jiān)視、偵察、對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊以及空中預(yù)警等任務(wù)，對(duì)軍事任務(wù)的完成具有重要意義。舵機(jī)作為無(wú)人機(jī)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)飛行控制系統(tǒng)的控制指令，控制舵面進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)的橫滾、俯仰和偏航等姿態(tài)[4-6]。

本文設(shè)計(jì)了一種以RS-422總線、無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、滾珠絲杠副作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分布式電動(dòng)舵機(jī)，提高控制精度和可靠性，滿足無(wú)人機(jī)對(duì)電動(dòng)舵機(jī)的需求。

1 電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)舵機(jī)是以嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為核心構(gòu)成的數(shù)字無(wú)刷單環(huán)位置反饋式伺服系統(tǒng)，由控制電路、功率放大電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制軟件組成。

無(wú)人機(jī)的8個(gè)通道采用分布式的布局方式，即每個(gè)通道的執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置在相應(yīng)的舵面附近，總體布局模型如圖1所示。

工作原理：DSP綜合舵控指令和舵面位置反饋信息，通過RS-422總線，經(jīng)PID控制算法運(yùn)算后，輸出控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的功率放大電路，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)減速，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)力矩，克服舵面上的負(fù)載力矩，推動(dòng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)到指令規(guī)定的位置。

1.1 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要由數(shù)字信號(hào)處理電路、總線驅(qū)動(dòng)電路、差分接收電路、位置解碼電路、通信接口電路、功率電源電壓檢測(cè)電路和二次電源變換電路等組成。

工作原理：控制電路采用以DSP為核心的全數(shù)字控制方式，以RS-422總線實(shí)現(xiàn)與外部信息的交換。通過DSP的SPI接口接收8個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中位置傳感器的測(cè)角信息，在DSP內(nèi)進(jìn)行綜合運(yùn)算后輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)8通道執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制。

控制電路的組成框圖如圖2所示。

1.2 功率放大電路設(shè)計(jì)

功率放大電路包括電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路、電源瞬態(tài)抑制電路和二次電源變換電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由光耦隔離電路、組合邏輯電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、三相逆變電路和過流保護(hù)電路等五部分組成，工作原理框圖如圖3所示。

1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和位置傳感器組成，實(shí)體模型如圖4所示。

工作原理：在控制電路輸出的控制信號(hào)作用下，經(jīng)過功率放大驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速，將電機(jī)輸出的高速小力矩轉(zhuǎn)動(dòng)變換為系統(tǒng)所需的低速大力矩轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)舵面偏轉(zhuǎn)。固聯(lián)在絲杠端的位置傳感器測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，并反饋給控制電路。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)如下：①減速機(jī)構(gòu)采用齒輪+滾珠絲杠副組合減速方式，通過絲杠螺母直接推動(dòng)搖臂機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng);②為滿足無(wú)人機(jī)內(nèi)部的空間要求，無(wú)刷直流電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)采用正交布局，通過錐齒輪傳動(dòng)來(lái)改變傳動(dòng)方向;③位置傳感器采用非接觸的相對(duì)型磁電式編碼器，通過測(cè)量滾珠絲杠的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)間接實(shí)現(xiàn)舵偏角的測(cè)量。

1.4 控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件以嵌入式DSP為硬件平臺(tái)，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

工作原理：電動(dòng)舵機(jī)上電后，程序自動(dòng)運(yùn)行并進(jìn)入主程序，在主程序中完成系統(tǒng)及外設(shè)初始化等工作，最后開放中斷，進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)等待定時(shí)器中斷的到來(lái)。定時(shí)中斷服務(wù)程序是軟件的控制樞紐，通過對(duì)各功能模塊的合理調(diào)配，完成整個(gè)軟件的時(shí)序調(diào)度。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真

結(jié)構(gòu)的一端通過銷子與舵面的搖臂連接，另一端通過銷子和支座安裝到舵機(jī)機(jī)體上，兩個(gè)銷和孔的配合間隙最大為0.027mm，滾珠絲杠副的軸向間隙為0.008mm，轉(zhuǎn)化到舵面的扭轉(zhuǎn)間隙為4.7′。尺寸外形圖如圖5所示。

應(yīng)力分布云圖如圖6所示。從圖中可以看出，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在連接銷處，最大應(yīng)力為300.9MPa，材料為15-5PH不銹鋼，最小許用應(yīng)力為579MPa。