CN110297430B - 一种微小型高精度数字化电动舵机***及其设计方法 - Google Patents

一种微小型高精度数字化电动舵机***及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微小型高精度数字化电动舵机***及其设计方法，电动舵机***，包括舵机控制器和舵机本体两部分。所述的本体包含4只舵机，每只舵机均由直流无刷力矩电机，经n级直齿齿轮传动减速，再经滚珠丝杠与直线导轨组件减速，并将电机的旋转运动转化为齿条的直线运动，而后经齿条与舵轴上的扇形齿轮啮合，或是销轴与拨叉啮合，使舵轴输出摆角，通过安装在输出轴上的电位器，反馈舵机的位置/速度信号，通过导线传输给舵机控制器中的数字控制板，形成舵机***闭环控制。本发明具有结构紧凑、精度高、额定负载大等特点。

Description

一种微小型高精度数字化电动舵机***及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种微小型高精度数字化电动舵机***及其设计方法，属于电动舵机***领域。
背景技术
舵机***作为导弹控制***的执行机构，其性能优劣直接影响飞行试验的成败。在空中按一定轨迹飞行的制导火箭弹是利用其控制***驱动舵面偏转来实现火箭弹的飞行控制，其性能直接影响制导火箭弹的技术指标。舵机***实际上是一种高精度的位置伺服***，其工作原理是接受上位机给出的控制信号，经功率放大驱动舵机动作，通过控制舵机来操纵火箭弹舵面的偏转，从而调整火箭弹的飞行姿态和飞行轨迹，最终确保火箭弹能够按照预定的轨迹飞行和打击给定的战术目标。
但是现有的控制器还有很多不足。首先，现有的舵机控制器普遍的控制流程整个流程采用顺序执行的方式，对于控制多路舵机，其运算速度有限，占用资源多，工作不可靠。此外，在现有的控制器中，由于上位机传来的舵机偏角指令信号频率比较低，通常在几百赫兹，而舵机的电流采样频率通常较高，电流环带宽通常较大，上位机传来的舵机偏角指令信号中含有丰富的速度和电流冲击分量，将会使舵机在实际控制中出现速度波动和较大的电流过程，因此舵机的稳定性差，增加舵机的功耗。
同时由于火箭弹空间限制，舵机本体的直径要求在120mm以内。如何在微小的空间内实现四个舵机的稳定控制是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微小型高精度数字化电动舵机***及其设计方法，实现了对超声电机的闭环控制，整个舵机***结构紧凑、灵敏度高、额定负载大、力矩干扰小、低速大转矩、控制精度高、布线方便、结构紧凑。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种微小型高精度数字化电动舵机***，舵机本体包括4个电机、底座、n级直齿齿轮、直线导轨组件、齿条、舵轴、扇形齿轮以及电位器；
底座包括底板和四个舵壳，底板中部具有四个均布的用于安装电机的凹槽，底板的背部安装n级直齿齿轮；舵壳设置舵轴的安装孔，舵轴位于安装孔的内部，扇形齿轮位于舵壳的内表面，与舵轴通过键连接；舵壳的侧面垂直于底板，安装直线导轨组件；
无刷力矩电机，经n级直齿齿轮传动减速，再经滚珠丝杠与直线导轨组件减速，将电机的旋转运动转化为齿条的直线运动，而后经齿条与扇形齿轮啮合，使舵轴输出摆角，电位器敏感舵轴的角位置。
提供另一种微小型高精度数字化电动舵机***，舵机本体包括4个电机、底座、n级直齿齿轮、直线导轨组件、销轴、舵轴、拨叉以及电位器；
底座包括底板和四个舵壳，底板中部具有四个均布的用于安装电机的凹槽，底板的背部安装n级直齿齿轮；舵壳设置舵轴的安装孔，舵轴位于安装孔的内部，拨叉位于舵壳的内表面，与舵轴通过键连接；舵壳的侧面垂直于底板，安装直线导轨组件；
无刷力矩电机，经n级直齿齿轮传动减速，再经滚珠丝杠与直线导轨组件减速，将电机的旋转运动转化为齿条的直线运动，而后经销轴与拨叉啮合，使舵轴输出摆角，电位器敏感舵轴的角位置。
优选的，舵机本体的直径在120mm以内。
优选的，滚珠丝杠与直线导轨组件包括滚珠丝杠、螺母、过渡块、直线导轨和滑块；滚珠丝杠的一端固连至n级直齿齿轮的末级齿轮；滚珠丝杠与螺母配合，过渡块套设在螺母外部，过渡块通过固定至滑块，滑块能够沿直线导轨移动，过渡块与滚珠丝杠同轴设置，过渡块内表面为与螺母直径匹配的圆弧面，长度大于螺母的长度，并与滑块的长度一致。
优选的，过渡块的下表面安装至滑块，二者的平行度高于0.01mm；齿条安装在过渡块的上表面，二者的平行度高于0.01mm。
优选的，舵壳的侧面垂直于底板的垂直度高于0.015mm。
优选的，还包括舵机控制器，舵机控制器与舵机本***于舵舱中，通过导线连接；所述的舵机控制器包括电源板、数字控制板和两块驱动板；电源板用于为舵机控制器供电，每个驱动板驱动两个电机，数字控制板接收总体控制信号获取所需舵偏角θ，接收电位器采集电机舵轴的角位置，形成PWM控制信号，通过驱动板驱动对应的电机摆动舵轴。
优选的，舵机控制器还包括ROM，内部存储舵偏角偏差与PWM控制信号占空比对照表，数字控制板根据控制信号获取所需舵偏角θ，接收电位器采集电机舵轴的角位置，计算舵偏角偏差，查找对照表获得PWM控制信号占空比，并发送该占空比的PWM控制信号。
优选的，底座(1)采用硬铝2A12一体成型。
同时提供一种所述的微小型高精度数字化电动舵机***设计方法，包括如下步骤：
(1)获取舵机的舵偏角θ和频率f情况下所带载荷要求Load；
(2)根据空间尺寸设定传递效率η、电动舵机的传动比i和电动舵机的转动惯量J；
(3)计算所需转矩Td；
(4)基于所需转矩Td对电机进行选型；如果没有合适的电机则返回步骤(2)更改电动舵机的传动比i；如果有合适的电机则选择该电机，并确定传递效率η、电动舵机的传动比i和电动舵机的转动惯量J，进而确定微小型高精度数字化电动舵机***舵机本体结构。
优选的，计算所需转矩Td的方法为：
Figure BDA0002092039610000031
优选的，电机进行选型的方法为：所需转矩Td不大于额定转矩的m倍，m取3。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明将4只舵机设计为一体化结构，既保证了小体积下的结构强度，又满足了大负载和高带宽要求。
(2)本发明采用了滚珠丝杠与直线导轨组合减速器，使结构更为紧凑，实现了高强度、大减速比和稳定顺畅的直线传动。
(3)本发明采用了闭环仿真优化设计方法，实现了结构***的最优化设计，缩短了研制周期。
(4)本发明采用多种小型化、高精度数字控制和驱动芯片，实现了舵机控制器的小型化和高精度。
(5)本发明从舵机结构考虑低摩擦，小惯量设计，选用低功耗器件，合理布局布线，实现了舵机***的低功耗控制。
(6)本发明采用ROM查表形式，实现了舵机控制软件的小型化、通用化。
(7)本发明采用了低惯量传动机构，高性能伺服电机，实现了舵机的高精度控制，舵机带宽可以高达1°、30Hz，是传统舵机的两倍以上，灵敏度可以达到0.01°，在国内外电动舵机产品中具有领先水平。
(8)本发明提供电动舵机设计方法，将载荷要求及空间要求转换为电机所需转矩，便于电机的结构设计及选型。
附图说明
图1为本发明的***结构图；
图2(a)位本发明中舵机本体的机械结构图；图2(b)为本发明中舵机本体的横截面结构图；
图3为本发明的底座结构示意图；
图4为本发明滚珠丝杠与直线导轨组件结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种微小型高精度数字化电动舵机***，包括舵机控制器和一体化舵机本体两部分。舵机控制器与一体化舵机本***于舵舱中，通过导线连接。
所述的一体化舵机本体包含4只舵机，每只舵机均由无刷力矩电机，经n(n＝1,2,3……)级直齿齿轮传动减速，再经滚珠丝杠与直线导轨组件减速，将电机的旋转运动转化为齿条的直线运动，而后经齿条与舵轴上的扇形齿轮啮合，使舵轴输出摆角，通过安装在输出轴上的电位计，反馈舵机的位置/速度信号，给舵机控制器中的数字控制板，形成舵机***闭环控制。
所述的一体化舵机本体的直径Φ在120mm以内，长度在85mm以内，它包含了4只舵机，4只舵机的底座1设计为一体化结构。
如图3所示，底座1包括底板和四个舵壳，底板为圆板，直径略小于120mm，中部加工四个均布的用于安装电机的凹槽1-1，底板的背部1-2安装直齿齿轮3；舵壳设置舵轴6的安装孔1-4，舵轴6位于安装孔1-4的内部，扇形齿轮或拨叉7位于舵壳的内表面，与舵轴6通过键连接；舵壳的侧面1-3垂直于底板，垂直度高于0.015mm，用于安装直线导轨组件4。底座1采用硬铝2A12一体成型。
如图4所示，滚珠丝杠4-1的一端固连至末级直齿齿轮，滚珠丝杠4-1与螺母4-2配合，过渡块4-3套设在螺母4-2外部，过渡块4-3通过螺钉固定至滑块4-5，滑块4-5能够沿直线导轨4-4移动，过渡块4-3与滚珠丝杠4-1同轴设置，过渡块4-3内表面为与螺母4-2直径匹配的圆弧面，长度大于螺母4-2的长度，并与滑块4-5的长度一致。过渡块4-3的下表面安装至滑块4-5，二者的平行度高于0.01mm，齿条或销轴5安装在过渡块4-3的上表面，平行度高于0.01mm，保证滚珠丝杠与底板的垂直度，保证滚珠丝杠行程范围内传动顺畅。所述的滚珠丝杠与直线导轨组件，采用微型滚珠丝杠减速器。
结合图2(a)、(b)每只舵机均由无刷力矩电机2，经n(n＝1,2,3……)级直齿齿轮3传动减速，再经滚珠丝杠与直线导轨组件4减速，将电机的旋转运动转化为齿条或销轴5的直线运动，而后经齿条与舵轴6上的扇形齿轮或拨叉7啮合，使舵轴输出摆角，通过安装在舵轴尾部舵壳的侧面的电位器8敏感舵轴的角位置/速度信号。
所述的舵机控制器是由电源板、数字控制板和两块驱动板三部分组成；如图1所示，电源板用于为舵机控制器供电，每个驱动板驱动两个电机，数字控制板接收总体控制信号获取所需舵偏角θ，形成PWM控制信号，通过驱动板驱动对应的电机摆动舵轴，电位器采集电机舵轴的角位置并反馈给数字控制板，数字控制板进行闭环控制。
所述的舵机控制软件的小型化、通用化。该舵机控制软件采用了IP核复用，降低***资源占用，是常规软件的1/4，降低了对芯片的价格。PID参数采用ROM查表形式，对于各种型号的舵机，只需要更改ROM表就可以实现了舵机控制参数可调。
采用了闭环仿真优化设计方法。在设计初期，将减速比、转动惯量、效率等结构设计参数，与输出性能指标之间，建立了数学模型。闭环仿真优化设计方法：若要满足每个舵机在舵偏角为θ、频率为f的正弦输入信号下，舵机在所带载荷为Load情况下，其输出信号的幅值大于输入的k倍，k为加载带宽要求通常取0.707，则可由加速度大于要求值为依据，折算到电机轴上的输出力矩Td需要满足下式
Figure BDA0002092039610000061
由上述公式，假设已知电动舵机的总传递效率η、电动舵机的传动比i和电动舵机的转动惯量J，可计算出每个电机的所需转矩Td，所需转矩Td不大于额定转矩的3倍，并由此来完成电机选型。
本发明的电动舵机设计流程如下：
(1)获取舵机的舵偏角θ和频率f情况下所带载荷要求Load；
(2)根据空间尺寸设定传递效率η、电动舵机的传动比i和电动舵机的转动惯量J；
(3)计算所需转矩Td，
Figure BDA0002092039610000071
(4)基于所需转矩Td对电机2进行选型；如果没有合适的电机则返回步骤2更改传动比i；如果有合适的电机则选择该电机，并确定传递效率η、电动舵机的传动比i和电动舵机的转动惯量J，近而确定舵机结构。
所述的小型化、高精度舵机控制器。采用多种小型化、高精度数字控制和驱动芯片。
采用了低功耗控制，舵机从结构选型、装配细节均考虑低摩擦，小惯量设计，添加润滑剂等方案降低功耗；同时在电路元器件选型上考虑整体功耗设计，选用低功耗器件，电路上采用合理布局布线增加功率器件散热通道。
所述的舵机的大带宽和高灵敏度。由于舵机采用了滚珠丝杠传动实现了低惯量传动，提高了电机性能，传统舵机带宽在1°范围内一般做到十几Hz，本款舵机带宽可以高达30Hz，灵敏度可以达到0.01°，在国内舵机中具有领先水平。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种微小型高精度数字化电动舵机***，其特征在于：舵机本体包括1个底座(1)、4个电机(2)、n级直齿齿轮(3)、直线导轨组件(4)、齿条(5)、舵轴(6)、扇形齿轮(7)以及电位器(8)；
底座(1)包括底板和四个舵壳，底板中部具有四个均布的用于安装电机的凹槽(1-1)，底板的背部(1-2)安装n级直齿齿轮(3)；舵壳设置舵轴(6)的安装孔(1-4)，舵轴(6)位于安装孔(1-4)的内部，扇形齿轮(7)位于舵壳的内表面，与舵轴(6)通过键连接；舵壳的侧面垂直于底板，安装直线导轨组件(4)；
无刷力矩电机(2)，经n级直齿齿轮(3)传动减速，再经滚珠丝杠与直线导轨组件(4)减速，将电机的旋转运动转化为齿条(5)的直线运动，而后经齿条与扇形齿轮(7)啮合，使舵轴(6)输出摆角，电位器(8)敏感舵轴的角位置；
滚珠丝杠与直线导轨组件(4)包括滚珠丝杠(4-1)、螺母(4-2)、过渡块(4-3)、直线导轨(4-4)和滑块(4-5)；滚珠丝杠(4-1)的一端固连至n级直齿齿轮的末级齿轮；滚珠丝杠(4-1)与螺母(4-2)配合，过渡块(4-3)套设在螺母(4-2)外部，过渡块(4-3)通过固定至滑块(4-5)，滑块(4-5)能够沿直线导轨(4-4)移动，过渡块(4-3)与滚珠丝杠(4-1)同轴设置，过渡块(4-3)内表面为与螺母(4-2)直径匹配的圆弧面，长度大于螺母(4-2)的长度，并与滑块(4-5)的长度一致。
2.如权利要求1所述的微小型高精度数字化电动舵机***，其特征在于，舵机本体的直径在120mm以内。
3.如权利要求1所述的微小型高精度数字化电动舵机***，其特征在于，过渡块(4-3)的下表面安装至滑块(4-5)，二者的平行度高于0.01mm；齿条安装在过渡块(4-3)的上表面，二者的平行度高于0.01mm。
4.如权利要求1所述的微小型高精度数字化电动舵机***，其特征在于，舵壳的侧面垂直于底板的垂直度高于0.015mm。
5.如权利要求1所述的微小型高精度数字化电动舵机***，其特征在于，还包括舵机控制器，舵机控制器与舵机本***于舵舱中，通过导线连接；所述的舵机控制器包括电源板、数字控制板和两块驱动板；电源板用于为舵机控制器供电，每个驱动板驱动两个电机，数字控制板接收总体控制信号获取所需舵偏角θ，接收电位器采集电机舵轴的角位置，形成PWM控制信号，通过驱动板驱动对应的电机摆动舵轴。
6.如权利要求5所述的微小型高精度数字化电动舵机***，其特征在于，舵机控制器还包括ROM，内部存储舵偏角偏差与PWM控制信号占空比对照表，数字控制板根据控制信号获取所需舵偏角θ，接收电位器采集电机舵轴的角位置，计算舵偏角偏差，查找对照表获得PWM控制信号占空比，并发送该占空比的PWM控制信号。
7.如权利要求1所述的微小型高精度数字化电动舵机***，其特征在于，底座(1)采用硬铝2A12一体成型。
8.一种如权利要求1至7之一所述的微小型高精度数字化电动舵机***设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取舵机的舵偏角θ和频率f情况下所带载荷要求Load；
(2)根据空间尺寸设定传递效率η、电动舵机的传动比i和电动舵机的转动惯量J；
(3)计算所需转矩Td；
(4)基于所需转矩Td对电机进行选型；如果没有合适的电机则返回步骤(2)更改电动舵机的传动比i；如果有合适的电机则选择该电机，并确定传递效率η、电动舵机的传动比i和电动舵机的转动惯量J，进而确定微小型高精度数字化电动舵机***舵机本体结构。
9.如权利要求8所述的微小型高精度数字化电动舵机***设计方法，其特征在于，计算所需转矩Td的方法为：
Figure FDA0003832803310000031
其中，
J为电动舵机的转动惯量，f为舵机的频率，θ为舵机的舵偏角，i为电动舵机的传动比，k为加载带宽，Load为舵机所带要求的载荷，η为传递效率。
10.如权利要求8或9所述的微小型高精度数字化电动舵机***设计方法，其特征在于，电机进行选型的方法为：所需转矩Td不大于额定转矩的m倍，m取3。
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