CN206060583U - 基于超声波电机的三自惯组转位机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于超声波电机的三自惯组转位机构，包括电子测角元件、惯性测量装置、旋转轴、旋转轴框架、超声波电机、超声波电机驱动器，旋转轴框架安装在旋转轴上，惯性测量装置安装在旋转轴框架上，电子测角元件安装于旋转轴框架侧面，超声波电机安装于旋转轴一端，超声波电机驱动旋转轴转动从而带动惯性测量装置、电子测角元件旋转。本实用新型采用超声波电机作为三自惯组转位机构的直接驱动元件，可以有效减小转位机构的体积与重量，提高动态特性、频带宽度、定位精度，便于加工装配，无需齿轮减速机构、锁紧机构。本实用新型可用于轻小型化传动控制***，拥有广阔的应用前景。

Description

基于超声波电机的三自惯组转位机构

技术领域

本实用新型涉及一种三自惯组转位机构，尤其涉及一种基于超声波电机的三自惯组转位机构。

背景技术

三自惯组在实现常规捷联惯组的功能基础上，自带转位机构，锁紧机构和高速数字处理电路，接收飞控机或测发控设备的控制指令，实现捷联惯组在线自标定、自对准、自检测功能(简称三自功能)，为减小部队使用维护难度，提高部队机动作战能力提供了有力的保障，成为目前研究的热点。目前，三自惯组转位机构采用的驱动电机主要是传统的电磁电机。它通过减速器带动转位机构旋转，存在体积大、质量重、***频带窄、动态控制实现难度大、定位精度低、易受电磁干扰、掉电后无保持力矩，需外加锁紧机构等缺点，严重制约了惯导***高精度及轻小型化的实现，难于满足航天技术不断走向高精度、高机动性、低成本、体积小、结构简单化的需求。所以三自惯组为了得到更广泛应用，首先需要选择一种质量轻、体积小、性能优良的转位机构传动控制***。

超声波电机是一种利用超声频域的机械振动作为驱动源的驱动马达，依靠压电陶瓷的逆压电效应直接将电能转变成机械能。与传统的利用电磁效应工作的电机相比，超声波电机具有体积小、重量轻、速度慢、转矩大、响应速度快、控制精度高、运行无噪声、静态(断电时)有保持力矩、不受磁场干扰也不对周围环境产生磁干扰等优点。由于超声波电机相比传统电磁电机本身具有的优势，使得基于超声波电机的三自惯组转位机构更适合于轻小型化的场合，且具有电磁兼容性好、不受外界磁场干扰、动态特性好、响应快、频带宽等传统电磁电机所不具有的优点。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是针对现有的三自惯组转位机构中的驱动电机带来的体积大、质量重、***频带窄、动态控制实现难度大、定位精度低、易受电磁干扰、掉电后无保持力矩，需外加锁紧机构等问题，本实用新型提出将超声波电机应用于三自惯组转位机构。采用超声波电机替代传统电磁电机作为三自惯组转位机构的驱动元件。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于超声波电机的三自惯组转位机构，包括电子测角元件、惯性测量装置、旋转轴、旋转轴框架，所述旋转轴框架安装在旋转轴上，所述惯性测量装置安装在旋转轴框架上，所述电子测角元件安装于所述旋转轴框架侧面，其特征在于：还包括超声波电机、超声波电机驱动器，所述超声波电机安装于旋转轴一端，超声波电机驱动旋转轴转动从而带动惯性测量装置、电子测角元件旋转，所述电子测角元件、超声波电机驱动器、超声波电机依次连接。

在本实用新型的三自惯组转位机构中，利用超声波电机替代传统上采用的电磁电机。由于超声波电机具有掉电自锁功能，因此减少了对锁紧机构锁紧力矩的要求，因此无需设置锁紧机构，使得转位机构的结构更加简单。同时，超声波电机的电磁兼容性好、不受外界磁场干扰、动态特性好、响应快、频带宽。超声波电机驱动器用于驱动超声波电机转动。

进一步地，所述超声波电机驱动器包括信号处理与控制单元、功率放大和变压器匹配电路，所述电子测角元件、信号处理与控制单元、功率放大和变压器匹配电路、超声波电机依次连接。

进一步地，所述电子测角元件为圆光栅。

进一步地，所述信号处理与控制单元包括DSP、FPGA，所述电子测角元件、FPGA、DSP、功率放大和变压器匹配电路依次连接，所述FPGA采集电子测角元件输出的信号，所述DSP控制所述功率放大器与变压器匹配电路产生正、余弦信号驱动所述超声波电机。

进一步地，所述超声波电机通过直驱方式安装于旋转轴一端。由于超声波电机通过直驱方式安装于旋转轴一端，因此无需设置齿轮减速机构，使得转位机构的结构更加简单。

本实用新型具有的优点和积极效果是：本实用新型采用超声波电机作为三自惯组转位机构的直接驱动单元，可以有效的减小三自惯组转位机构体积与重量，便于加工装配，并提高转位机构的动态特性、频带宽度、定位精度等性能，取消了齿轮减速机构，使得三自惯组转位机构结构简单紧凑，易于安装，实现了三自惯组转位机构的轻小型化设计，并由于超声波电机具有掉电自锁功能，减少了对锁紧机构锁紧力矩的要求。本实用新型可以直接运用于轻小型化传动控制***，如雷达导引头、智能机器人、工业机器人等领域，拥有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的基于超声波电机三自惯组转位机构示意图。

图2是本实用新型的超声波电机驱动器原理框图。

图中，1、超声波电机，2、电子测角元件，3、惯性测量装置，4、旋转轴框架，5、支座

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1—图2所示，一种基于超声波电机的三自惯组转位机构，包括超声波电机1、电子测角元件2、惯性测量装置3、旋转轴、旋转轴框架4、超声波电机驱动器、固定支座5，旋转轴框架4安装在旋转轴上，惯性测量装置3安装在旋转轴框架4上，电子测角元件2安装于所述旋转轴框架(4)侧面，超声波电机1安装于旋转轴一端，超声波电机1驱动旋转轴转动从而带动惯性测量装置3、电子测角元件2旋转。电子测角元件2采用圆光栅。本实用新型中，三自惯组转位机构即为自对准、自标定、自检测惯组转位机构。

图1是基于超声波电机三自惯组转位机构图。其中，本实用新型的基于超声波电机的三自惯组转位机构安装在固定支座5上，超声波电机1采用直驱方式安装于旋转轴的一侧。

本实用新型的工作原理是：超声波电机1的转子与旋转轴通过螺钉固联，超声波电机1的转子带动旋转轴、惯性测量装置3和圆光栅旋转，超声波电机驱动器采集圆光栅反馈的电机转动位置，当到达目标位置时，超声波电机驱动器控制超声波电机1停止转动，完成定位。超声波电机1通过带动惯性测量装置3转动实现捷联惯组在线自标定、自对准、自检测功能。

如图2所示，超声波电机驱动器采用DSP+FPGA的控制方案，闭环伺服控制算法在DSP内执行。超声波电机驱动器包括信号处理与控制单元、功率放大和变压器匹配电路，信号处理与控制单元包括DSP、FPGA，所述圆光栅、FPGA、DSP、功率放大和变压器匹配电路、超声波电机依次连接，直流电源用于为FPGA、DSP、功率放大和变压器匹配电路供电。FPGA采集圆光栅输出的光栅信号，光栅信号即反映了电机位置信息，FPGA将采集到的信号发送给DSP。DSP接收FPGA发送的电机位置信息，计算出电机速度信息，并进行闭环控制。DSP根据电机闭环控制算法输出产生四路PWM波形信号，PWM波形信号控制功率放大器与变压器匹配电路产生正、余弦信号，驱动超声波电机振动从而使超声波电机中的转子转动。

根据本实用新型技术方案开展超声波电机在旋转框架中的温度和力学环境适应性试验，根据试验结果优化结构形式，提高超声波电机环境适应性。

表1为基于超声波电机的三自惯组转位机构主要技术指标。由表1可以看出，采用超声波电机的三自惯组转位机构具有较大的额定功率、额定转速、额定力矩，而且响应时间较快，分辨率较高。

表1基于超声波电机的三自惯组转位机构主要技术指标

技术指标	实际达到的水平	技术指标	实际达到的水平
				额定功率(W)	30	额定力矩(N·m)	0.6
额定转速(rpm)	15	响应时间(ms)	＜1
				堵转力矩(N·m)	1.0	分辨率	1″

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种基于超声波电机的三自惯组转位机构，包括电子测角元件(2)、惯性测量装置(3)、旋转轴、旋转轴框架(4)，所述旋转轴框架(4)安装在旋转轴上，所述惯性测量装置(3)安装在旋转轴框架(4)上，所述电子测角元件(2)安装于所述旋转轴框架(4)侧面，其特征在于：还包括超声波电机(1)、超声波电机驱动器，所述超声波电机(1)安装于旋转轴一端，超声波电机(1)驱动旋转轴转动从而带动惯性测量装置(3)、电子测角元件(2)旋转，所述电子测角元件(2)、超声波电机驱动器、超声波电机(1)依次连接。

2.根据权利要求1所述的基于超声波电机的三自惯组转位机构，其特征在于：所述超声波电机驱动器包括信号处理与控制单元、功率放大和变压器匹配电路，所述电子测角元件(2)、信号处理与控制单元、功率放大和变压器匹配电路、超声波电机(1)依次连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于超声波电机的三自惯组转位机构，其特征在于：所述电子测角元件(2)为圆光栅。

4.根据权利要求2所述的基于超声波电机的三自惯组转位机构，其特征在于：所述信号处理与控制单元包括DSP、FPGA，所述电子测角元件(2)、FPGA、DSP、功率放大和变压器匹配电路依次连接，所述FPGA采集电子测角元件(2)输出的信号，所述DSP控制所述功率放大器与变压器匹配电路产生正、余弦信号驱动所述超声波电机(1)。

5.根据权利要求1所述的基于超声波电机的三自惯组转位机构，其特征在于：所述超声波电机(1)通过直驱方式安装于旋转轴一端。