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1、XXX型舵机系统简要方案设计报告2022年3月19HXXX型舵机系统简要方案设计报告1雌XXX型四通道舵机系统（以下简称为能机）作为K行器的动作执行机构，可满足飞行器飞行过程中对滚转、俯仰、偏航姿态的控制，电动四通道可独立工作、也可成对差分工作，模块化的设计可方便科研、生产过程中的装配、调试，也可保证产品后期装备使用过程中口常勤务处理等要求，其具备负载能力适中、可靠性高、量产成本低的特点。2技术指标及性能要求详见总体研制任务书。3研制依据和标准详见总体研制任务书中引用文件。4总体设计根据总体给定的设计任务要求，该型舵机采用谐波齿轮减速器为主要传动机构的技术路线，其由本体、传动机构组件、舵机驱动
2、控制组件三大部分组成,，舵翼由总体提供。其中，本体基于总体提供的壳体外形及舵轴位置尺寸进行内部结构适配性设计：传动机构组件由谐波齿轮减速器、直流有刷电机、高精度导电册料电位器组成；舵机驱动控制组件由MCU核心控制器、匹配调理电路和专用驱动模块组成。其三维结构和组成见下图1、图2。图1舵机三维结构布局图舵机采用电动、四通道、数字控制式舵机，其中驱动电、控制电分别为+24V、+48V热电池为驱动模块、控制模块供电。产品在使用前未上电前，直流有刷电机锁制器处于锁定状态，确保舵翼位于零位:使用上电时，舵机控制板执行复位、锁制器通电解锁、输出电零位锁零指令，将舵翼保持在电气零位等待接收产品控制指令；在接
3、收到控制指令后，舵机控制电路根据指令形成PwM指令，通过舵机驱动模块实现舵翼的偏转，产生控制力矩完成对产品的姿态控制。其特点是控制精度高、结构紧凑、可靠性好。4.1传动机构传动机构由谐波减速器、宜流电动机、电位器组成，减速机构采用扁平式谐波齿轮减速器，将电机的转速、转向和力矩变换为舵面所需的转速、转向和力矩：传感器采用高精度导电塑料电位器，实现舵面角度的精确测量。传动机构组成三维图见下图3。电位器谐波减速器直流有刷电机锁制器图3传动机构三维图根据舵机的最大空载角速度不低于200(0)s,以及在输出力短10Nm下的角速度不低于100(o)/s的指标可以得出:伺服电动机的空载转速(减速器减速比i,
4、取224)：d，,max3.14=224X2007,180=782(rds)=7472(rmin)舵机输出力矩10Km时，伺服电动机的转矩(传动机构效率11,取0.5)：10=2240.5=0.09(Nm)舵机角速度100()/s,伺服电动机的转速：d1.i,max3.14=224100-180=3736(rmin)为了保证舵机角速度和输出力矩有一定的余量，取计算值的1.3倍作为要求值，则伺服电动机的空载转速不小于9713rmin,0.12Nm力矩下转速不小于4857rmin最终选取伺服电动机的参数为：空载转速转速不小于100Oo1.Vmin,0.12Nn力矩下转速不小于650()rnin=电
5、动机是舵机中重要的机电转换器件，它能够提供足够的功率,使负载按所需的规律运动，其性能直接关系着舵机的性能指标。考虑到舵机的经济性，为了尽量降低整体成木，选用直流有刷电动机，其负载特性好，结构和控制相对简单，成本低。电动机的技术指标如下：a）额定工作电压：28V；b）空载启动电压：1.3V;c）空载转速：N1.OooOr/min；d）负载0.04Nm下转速:9000rmi11;e）负载0.12Nm下转速：6500rmin;f）力矩系数:0.025NmA;g）最大外形尺寸：直径30mm,长度60mmo电动机性能指标高，机械接口要与谐波减速器结合设计。电动机外形及接口见下图4,结构外形尺寸见下图5。
6、图4直流有刷电图5电动机外形及接口图该款直流有刷电机为成熟产品，其工作寿命不少于100小时，长时工作制，一次连续工作一小时、在过载点工作三次，每次30秒。贮存是18年。4.1.2 锁制器根舵机的研制经验，舵机在产品不上电静止条件下需具备转运、运输等环境条件保持舵翼固定，为此采用在电机上尾端增加锁制器,利用电磁销锁定电机轴而将陀面锁定的方案。锁制器不通电时，锁销在弹簧的作用卜伸出，与电机轴固连在一起的制动片锁定，电机不能转动:锁制器通电时，锁销在电磁铁的作用下缩回，制动片锁定解除，电机可以正反两个转动，进入工作状态。对锁制器技术要求如下：a）额定电压：28M；b）锁制力矩：0.12Nm:c）外形
7、尺寸：直径30mm:d）解锁电压：1824V;e）落锁电压：3V;D锁定角度范国：-65+65；g）解锁时间：从加电开始，在25InS内可莫解锁：h）连续工作时间（解锁后）：N180s；工作寿命：可靠工作次数21000次。4.1.3 谐波减速器舵机上常用的减速器有滚珠丝杠减速器、谐波齿轮减速器等。滚珠丝杠本身成本高，需要配以壳体、轴承、拨义、舵轴、齿轮等多个零件，生产和装配成本高，且宽度大。谐波齿轮减速器可以设计成一个整体，输入、输出轴成正交布置，输入轴直接与电动机配合，输出轴作为舵轴直接固定蛇面，成本较低，便于装配。从舵机的性价比考虑，选用谐波齿轮减速器。谐波齿轮减速器的技术指标如下：a）输
8、出力矩：N20m:b）转动角度:-29。+29：c）减速比：224；d）效率：20.55：e）间隙：W8:f）最大外形尺寸：长度48mm,宽度42mm,高度33mm；g）机械限位：Wo减速器性能指标盲，外形尺寸小，接口要与电动机结合设计。为了减小谐波齿轮减速器的体积，该减速器转动角度的限位装置设计在壳体内部，外观简洁。安装电位器的后端面上设计有三个方形槽，电位器固定压片更容易加工。谐波减速器外形见下图6。图6减速器外形图及接口图由于减速器安装到航机壳体上后，舵轴直接朝向舵机舱外，为了保证舵机通过淋雨试验，舵轴与减速器壳体间在舵轴上周向安装橡胶,保证产品的密封、防水要求，减速器壳体应具有耐盐雾能
9、力。4.1.4电位器电位器用于舵偏角的位置.反馈。电位器通常采用22直径规格,若采用15直径规格，高度上也很难再减小，因此准备借用成熟的22直径规格WDJ22-5电位器。电位器的技术指标如下：a）标称阻值:2.2K10%;b）有效电气行程：1005；c）工作电压：24V；d）独立线性度：0.5%；e）输出平滑性：W0.1%；f）旋转工作寿命：2100万转：g）外形尺寸：22nn16mm。电位器外形及接口见图7。图7电位器外形图及接口图4.1.5重量根据总体设计输入要求，本方案在现有系列产品中选择参数匹配的方式来实现设计要求，直流有刷电机、谐波减速器、电位器均选择成熟产品搭配设计组成传动机构，其
10、实物见下图8,整体重量830g,不含电机锁制器为800g。图8传动机构实物（带锁制器）4.1.6成本传动机构采用成熟产品组合设计，其单套成本大约为0.8万元左右。4.2舵机驱动控制模块舵机控制器主要完成控制指令的接收、计算输出PWM、电机驱动和位置反馈闭环控制等功能。本方案中的陀机，采用谐波齿轮减速器和直流有刷电动机组成的传动机构拖动舵片运动。舵片角位置反馈采用了高精度导电塑料电位器得出舵片偏转相对偏转角度。舵机控制器通过数字微控器实时采集高精度导电塑料电位器获取的舵片偏转角度信息，接收控制指令，通过校正算法解算出PWM信号的宽度：同时，舵机控制器驱动模块，获取电机安装的3个霍尔传感器位置信息
11、，与校正算法解算出PWM信号，输出电流到有刷电机绕组，拖动电机旋转，带动舵片偏转，完成电机、舵翼位置反馈与指令随动闭环控制。4.2.1舵机控制原理为实现精确定位，保证系统稳定、快速，满足舵系统控制回路要求和主要技术指标，本舵控系统采用位置反馈式闭环控制方式，其框图如下图9所示。图9舵控系统框图电动舵机系统的工作原理是能机控制器根据控制给定的角度忆操纵导弹的舵面转动。当实际舵偏角与要求的角度存在误差4时，在舵机控制器的微控器中经过校正算法实时解算PWM控制信号，并输出PWM控制信号驱动模块，经过驱动模块进行功率放大后，驱动永磁有刷宜流电机转动。有刷直流电机的力矩通过谐波减速传动机构放大，带动舵面
12、使舵面向要求的角度偏转。误差，为正时，加在伺服电机上的直流平均电压为正，舵面向正方向转动；误差”为负时，加在伺服电机上的直流平均电压为负，舵面向负方向转动。当舵面偏转到要求的角度时，误差信号叫为零，加在电机上的直流平均电压为零,舵面失去驱动力矩停止转动。舵面转动的角度通过导电塑料电位器形成舵反馈信号，提供给控制器，形成系统的闭环控制。4.2.2驱动控制器舵机驱动控制器主要基于GD32F407（微控器）与HB1530-3A（驱动模块）构成的闭环控制电路系统。主要由通信收发电路、稳压电路、ADC调理电路、驱动模块与微控器组成，舵机控制器原理框图如下图11所示。控制器!兴动模块2I图11舵机控制器原
13、理框图期功模块I呢动模块!驱动模块3；通信收发电路主要用于控制指令输入与控制反馈输出。稳压电路用于把电池（控制）电压转化成控制电路工作的电压,保证控制电路外围器件与微控器正常工作：ADC调理电路用于舵面反馈电压调理与滤波等。驱动模块卜4主要完成接受为控制输出的PWM.采集电机霍尔信号以及完成电机旋转驱动：微控器主要完成控制指令处理，PWM输出与舵片反馈闭环控制等。4.2.3舵控系统软件舵控系统软件主要包括6部分，如图12所示，舵机控制软件结构图。图中各个单元代表各个功能电路，通信单元代表通信收发电路,电源单元代表通信稳压电路，电机功率驱动单元代表驱动模块等。软件主要为模块，在微控器控制系统单元
14、内。第一部通信模块。通信模块主要用于接收通信口发送的指令或标定命令，并且依据协议进行解析，输出相应的控制指令或其他命令。第二部分为角度采集模块，通过ADC对舵片位置进行采样及滤波,实时输出舵片角度位置。第三部分为PWM输出模块，根据控制算法输出舵机控制指令调整输出PWM占空比。第四部分为控制算法模块，比较位置反馈与指令的关系，采用PID校正环节输出舵机控制指令。第五部角度初始化模块，主要用于解算出舵机角度与指令的变换度量。第六部分为监控系统。判断系统是否正常，如不正常会使系统第位。4.2.4 重量预估舵机控制器模块重量主要由2部分组成，电路部分以及壳体部分。电路部分初步估算重量约为150g,壳
15、体部分重量约为200g。初步估计舵机控制器模块重量为350go4.2.5 成本根据总体设计输入要求,舵机驱动控制器所有元器件应满足100%国产化需求，项目组针对以往设计经验和器件供货持续性、可靠性、成本性考虑的前提下对所有器件、零件进行了选型和统计。舵机控制器共涉及机械零件1种、外协外购件（含电子元器件）15种，详细明细见下表1.表1价格估计明细表序号电子元器件名称规格及型号数量单价（元）价格（元）备注1微控器GD32F407110001000军筛2驱动模块HB1530-3A4400016000普军3稳压芯片1DCDC11200普军4稳压芯片278XX11100普军5稳压芯片31.DO1110
16、0普军6晶振X053-NJTC-20M-C11200普军7二极管20240多种,普军8三极管2sc901423570普军9光耦1.J281.-1.s1120120普军10通信收发器1300300普军11片式电阻器100100多种，普军12片式电容一500500多种，普军13运算放大器G71.M1241240240普军14连接器一53001500普军15印制板320060016其它元件150050017壳体1500500机械零件合计22270按照表中的单价计算，单套舵机驱动控制器的价格大约为2.227万兀5总结项目组具备多年的舵机类产品的工程研发经验，同时为满足总体短周期研制要求，形成的简要设计方案实施度高、方案简单成熟、器件、部件选型合理，具备开展工程样机研制、试制的条件。舵机直接元器件、零件等外购成本为5.427万元/套，其中不包含壳体、舵翼、舵轴、各类电连接器和导线，不包含装配、调试、测试成本和损耗。
