一种无人机用一体式电动舵机的制作方法与工艺

本发明涉及一种无人机用一体式电动舵机，属于无人机舵面控制技术领域。

背景技术：
随着无人机的飞速发展，为满足无人机日益提高的可靠性、轻质化等技术要求，对作为无人机重要组成部分的电动舵机提出了更高的要求。电动舵机作为无人机控制系统的执行机构，是无人机的关键执行部件之一，主要用来控制无人机的舵面角度，以调整无人机的偏转、俯仰、翻滚等姿态，其工作性能和可靠性直接影响无人机飞行姿态的控制精度和工作可靠性。国内外针对无人机舵机系统也做了大量的研究。Futaba公司和Dynamixel的系列舵机能够提供各种小功率舵机。国内，北京航空航天大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学以及相关科研院所等单位开展了无人机用电动舵机的研究。目前的无人机用电动舵机多为以直流有刷电机作为动力源、小扭矩型舵机，不能满足逐渐提高的扭矩和可靠性的要求。针对无人机使用环境复杂，且要求具有快速的响应速度，需要进行小型化、轻质化、高可靠性设计。传统无人机用电动舵机采用直流有刷电机作为动力源，多级小齿轮作为传动减速机构，存在承载力矩小、寿命周期短、环境适应性差、控制精度差(为0.15°～0.2°之间)等缺点，不能满足快速性和高可靠性的要求。

技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提供一种高可靠、高响应速度、高精度的无人机用电动舵机，实现无人机偏转、俯仰、翻滚等姿态的精确调整。该电动舵机可以实现无人机姿态的快速调整，并满足长时间工作、高响应速度、高密封性的要求。本发明的技术解决方案是：一种无人机用一体式电动舵机，包括：舵机和控制驱动器，舵机包括壳体(1)、输出摇臂(2)、上盖板(3)、后盖板(4)、前盖板(5)、直流无刷电机(8)、行星减速器(9)、角位移传感器卡箍(10)、中空式角位移传感器(11)、电连接器(12)；控制驱动器包括：控制板(6)、驱动板(7)；将直流无刷电机(8)、行星减速器(9)、中空式角位移传感器(11)依次连接，形成串联式布局，安装在舵机壳体(1)的中间；行星减速器(9)固定在舵机壳体(1)上，直流无刷电机(8)安装在行星减速器(9)上；中空式角位移传感器(11)的转子固定在行星减速器(9)的输出轴上，中空式角位移传感器(11)的定子通过卡箍(10)、螺钉(17)固定在舵机壳体(1)上，输出摇臂(2)的一端也固定在行星减速器(9)的输出轴上；控制板和驱动板固定安装在舵机壳体(1)内部的两侧；电连接器(12)与控制板和驱动板连接；直流无刷电机(8)和驱动板(7)通过导线相连；中空式角位移传感器(11)通过导线和控制板(6)相连；控制板(6)和驱动板(7)通过导线连接；控制板(6)接收从电连接器(12)输入的方波形式的角度指令，该方波形式的角度指令控制输出摇臂摆动角度，从方波形式的角度指令解算出方波形式的角度指令的周期，与方波形式的角度指令的理论周期进行比较，得到方波形式的角度指令的周期补偿值A1；控制板(6)接收从电连接器(12)输入的方波形式的零位角度指令，该方波形式的零位角度指令控制输出摇臂摆动的零位角度，从方波形式的零位角度指令解算出代表零位角度指令的时间，与代表零位角度指令的理论时间进行比较，得到方波形式的零位角度指令的补偿值A2；将方波形式的角度指令的周期补偿值A1和方波形式的零位角度指令的补偿值A2相加，得到总的角度指令补偿值A，将总的角度指令补偿值A补偿代表方波形式的任意角度指令的时间，完成指令角度补偿；将补偿后的代表方波形式的任意角度指令的时间解算为实际的角度指令θ；中空式角位移传感器(11)在工作中输出角度信息，反馈给控制板(6)，控制板(6)将解算出的实际角度指令θ和中空式角位移传感器(11)反馈的输出角度信息进行比较，得到产生的角度误差，根据该角度误差得到中间控制量U1；将该中间控制量U1和设定的PWM周期值的比作为PWM占空比，设置限流标志，限流标志位为0表示不改变PWM占空比；限流标志位为1表示将PWM占空比置为0；对限流标志位进行判断，若限流标志位为1，将PWM占空比置为0，输出给驱动板(7)；若限流标志位为0，将该PWM占空比直接输出给驱动板(7)，驱动板(7)根据PWM占空比，输出直流无刷电机(8)的供电电压，带动直流无刷电机(8)转动，直流无刷电机(8)的输出轴与行星减速器(9)的太阳轮(14)固定连接，太阳轮(14)通过与行星减速器(9)啮合，直流无刷电机(8)通过自身的输出轴输出的力矩和速度，经过行星减速器(9)的太阳轮(14)传递给行星减速器(9)后，根据行星减速器(9)的减速比，进行力矩和速度转换后，送至输出摇臂(2)，带动输出摇臂(2)摆动，实现位置闭环控制；限位螺钉(16)将前盖板(5)与壳体(1)固定连接，且对输出摇臂(2)起到机械限位的作用；上盖板(3)、后盖板(4)、前盖板(5)和壳体(1)组成密闭的中空腔体；所述用总的角度指令补偿值补偿代表方波形式的任意角度指令的时间后解算出的实际角度指令θ，控制板(6)对解算出的实际角度θ根据设定的输出摇臂的摆动角度范围进行限幅判断，如果该解算出的实际角度θ超出设定的输出摇臂的摆动角度范围，舍弃该解算出的实际角度θ，保持输出摇臂的目前状态；如果该解算出的实际角度θ在设定的输出摇臂的摆动角度范围，输出摇臂根据解算出的实际角度θ进行摆动。所述中间控制量U1,公式如下：U1＝U0+kp*e1+kd*(e1-e0)(3)式中，U1为本次的中间控制量；U0为前一次的中间控制量，在初始化时等于0；kp为比例系数；kd为微分系数；e1为本次角度误差，单位：度；e0为前一次的角度误差，单位：度；所述kp的取值范围为60～100。kd的取值范围为80～140；所述电连接器(12)对控制板(6)和驱动板(7)进行供电，控制板(6)连续采集N次供电电流感应出的电压信号，采集时间周期为1ms～2ms，再根据感应出的电压信号还原出供电电流，将该供电电流与设定的电流限流值比较，该电流限流值为电动舵机的正常工作电流值的最大值，如果供电电流小于设定的电流限流值，置限流标志位为0；如果供电电流大于等于设定的电流限流值，置限流标志位为1，直至供电电流小于设定的电流限流值，所述驱动板(7)上设置有二级硬件限流电路，该硬件限流电路实时采集供电电流转换成电压信号，将该电压信号与设定的电压值比较，如果该电压信号大于等于设定的电压值，驱动板(7)将无刷电机(8)的供电电压置为0。设定的电压值为4.0V。本发明与现有技术相比的有益效果为：(1)本发明将舵机本体结构居中、控制板、驱动板两侧对称布局，有效利用电动舵机的空间，利于进行一体式集成化设计；舵机与控制驱动器进行集成设计，解决了舵机、控制驱动器具有单独壳体时带来的重量增加和安装问题，有利于进行轻质化设计，该电动舵机重量仅为500g，重量比单独壳体减小了20％左右；额定输出力矩≥6Nm，最大输出力矩可达10Nm，解决了在同类结构尺寸、重量下，大输出力矩的要求；(2)本发明使用直流无刷电机作为动力源，代替直流有刷电机，解决了直流有刷电机换向器电刷磨损寿命低的问题，可以满足连续长时间工作的要求，提高了电动舵机的寿命和可靠性；(3)本发明按照无刷电机→行星减速器→中空式角位移传感器→输出摇臂的安装顺序串联布局，解决了平行布置角位移传感器带来的齿轮传动误差问题，提高了反馈精度；同时解决了角位移传感器安装在输出摇臂之后，导致输出摇臂在行星减速器和角位移传感器中间，输出摇臂来回摆动带来密封难的问题。该方式有效节省空间，使结构紧凑，在提高角度反馈精度的基础上，利于对电动舵机整体结构进行密封设计，提高电动舵机的密封性，实现防水防尘的效果；(4)本发明的电动舵机结构紧凑，传递间隙小，具有很高的响应速度，角速度可达300°/s，比目前常见的电动舵机150°/s～200°/s角速度指标提高了近50％，可以实现无人机姿态的快速调节，达到实时、高精度控制的目的；(5)本发明通过两级限流的控制策略，实现阶梯式限流，在两级限流方式的保护下，提高控制驱动器的驱动能力，并保护电动舵机及无人机的安全；(6)本发明采用角度限幅滤波+指令补偿的控制策略，角度限幅滤波滤除外部干扰的信号，将超出正确角度指令的伪指令剔除，对接收的角度指令进行限幅使电动舵机在允许的角度范围内运动，有效保护电动舵机和无人机的安全；指令补偿的控制策略可以有效提高采集方波式角度指令的精度，提高电动舵机的位置控制精度，以提高无人机的姿态精度，精度可达0.1°。(7)本发明实现了直流无刷电机、行星减速器、中空式角位移传感器串联布局，结构紧凑；结构上采用密封性设计，保证了电动舵机能够适应各种恶劣的环境条件；在控制策略上选用两级限流策略、角度限幅滤波+指令补偿的控制策略，提高了电动舵机的可靠性和控制精度。附图说明图1本发明的无人机用一体式电动舵机外观示意图；图2本发明的无人机用一体式电动舵机组成示意图；图3本发明的无人机用壳体密封结构示意图；图4本发明的无人机用壳体截面示意图；图5本发明的方波式角度指令格式示意图；图6本发明的角度限幅滤波+指令补偿的控制流程图；图7本发明的理论供电电压波形图；图8本发明的两级限流控制策略流程图。具体实施方式本发明的基本思路为：本发明的电动舵机包含舵机和控制驱动器两大部分，舵机和控制驱动器进行一体式集成设计。舵机由一台直流无刷电机、行星减速器、中空式角位移传感器、输出摇臂等组成；控制驱动器由控制板、驱动板组成，结构简图如图2所示。具体应用在无人机舵面控制领域，采用直流无刷电机作为动力源，将直流无刷电机、行星减速器、中空式角位移传感器串联连接的方案，使舵机结构紧凑，减小其空间尺寸，并提高其工作寿命和可靠性；舵机壳体采用密封式结构设计，具有较强的防尘防水能力，能够适应恶劣的工作环境。控制驱动器采用位置+两级限流的控制策略，限流环主要用来限制异常情况下系统出现过大的电流，保护电动舵机及无人机的安全。针对方波式位置角度指令，采用捕获中断的方式实现角度指令实时采集，并采用角度限幅滤波+指令补偿的控制策略提高采集角度指令的精度，可以大幅提高无人机飞行姿态的精度，精度可达0.1°。电动舵机工作时，控制板6接收无人机控制系统发送的指令，经过内部控制算法运算后，得出PWM占空比和方向信号输送给驱动板7，驱动板7经过逻辑运算控制直流无刷电机8运动，直流无刷电机8的输出轴与行星减速器9的太阳轮14固连，经行星减速器9进行力矩和速度转换后带动输出摇臂2运动，从而驱动无人机相应舵面的运动，达到控制无人机姿态的目的。控制驱动器采用位置+两级限流的控制策略，限流环主要用来限制异常情况下系统出现过大的电流，保护电动舵机及无人机的安全。针对方波式位置角度指令，采用捕获中断的方式实现角度指令的实时采集，并采用角度限幅滤波+指令补偿的控制策略提高采集角度指令的精度，从而保证电动舵机的控制精度，达到精确无人机姿态的目的。下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。如图1、图2、图4所示，电动舵机主要包括舵机和控制驱动器，舵机包括壳体1、输出摇臂2、上盖板3、后盖板4、前盖板5、直流无刷电机8、行星减速器9、角位移传感器卡箍10、中空式角位移传感器11、电连接器12；控制驱动器包括：控制板6、驱动板7。如图2中所示，将直流无刷电机8、行星减速器9、中空式角位移传感器11依次连接，形成串联式布局，安装在舵机壳体1的中间；行星减速器9固定在舵机壳体1上，直流无刷电机8安装在行星减速器9上；中空式角位移传感器11的转子固定在行星减速器9的输出轴上，中空式角位移传感器11的定子通过卡箍10、螺钉17固定在舵机壳体1上，输出摇臂2的一端也固定在行星减速器9的输出轴上。行星减速器9的输出轴的伸出长度达38mm，为了避免施加在输出摇臂2上的力使行星减速器9的输出轴发生弯曲变形，影响输出摇臂2摆动角度的精度，如图3所示，用深沟球轴承19对行星减速器9的输出轴进行支承。如图2所示，控制板6和驱动板7固定安装在舵机壳体1内部的两侧；电连接器12与控制板6和驱动板9连接；直流无刷电机8和驱动板7通过导线相连；中空式角位移传感器11通过导线和控制板6相连；控制板6和驱动板7通过导线连接。将舵机本体结构居中、控制板6、驱动板7两侧对称布局，有效利用电动舵机的空间，利于进行一体式集成化设计；舵机与控制驱动器进行集成设计，解决了舵机、控制驱动器具有单独壳体时带来的重量增加和安装问题，有利于进行轻质化设计，该电动舵机重量仅为500g，重量比单独壳体减小了20％左右；额定输出力矩≥6Nm，最大输出力矩可达10Nm，解决了在同类结构尺寸、重量下，大输出力矩的要求，满足无人机对电动舵机轻质化的要求和大力矩的需求，可以显著提升无人机的整体性能。控制板6接收从电连接器12输入的方波形式的角度指令，角度指令格式如图5所示。该方波形式的角度指令控制输出摇臂摆动角度，从方波形式的角度指令解算出方波指令的周期，与方波形式角度指令的理论周期进行比较，得到方波形式的角度指令的周期补偿值A1，具体解算过程如下：如图5所示，其中t为方波形式角度指令的理论周期，以△t为时间间隔，进行计数，标记两相邻上升沿以△t为时间间隔的所计的总数n，解算出的方波指令周期t’＝△t*n。按照下式计算方波形式的角度指令的周期补偿值A1：式中，t1’指解算出的代表任意角度指令的时间，具体解算方式见下文中解算任意角度指令的过程，单位：ms。对式(1)进行举例说明：方波形式角度指令的理论周期t为20ms；△t时间间隔为0.0002ms；以△t为时间间隔的所计的总数n为99995；解算出的方波指令周期t’＝0.0003*59990ms＝19.999ms；t1’指解算出的代表任意角度指令的时间为1.8976ms；计算计算方波形式的角度指令的周期补偿值A1：控制板6接收从电连接器12输入的方波形式的零位角度指令，该方波形式的零位角度指令控制输出摇臂摆动的零位角度，从方波形式的零位角度指令解算出代表零位角度指令的时间，与代表零位角度指令的理论时间进行比较，得到方波形式的零位角度指令的补偿值A2，具体解算过程如下：在标定零位角度指令补偿值时，按照图5中的指令格式，发送零位角度指令θ0，以△t为时间间隔，进行计数，计上升沿与紧随其后下降沿以△t为时间间隔的总数n0，解算出代表零位角度指令的时间t0’＝△t*n0。将解算出代表零位角度指令的时间与代表理论零位角度指令的时间t0比较，得出零位角度指令的补偿值A2＝t0-t0’。举例说明如下：代表理论零位角度指令的时间t0为1.5ms；时间间隔△t为0.0002ms；计上升沿与紧随其后下降沿以△t为时间间隔的总数n0为7490；解算出代表零位角度指令的时间t0’＝△t*n0＝0.0002*7490ms＝1.498ms；零位角度指令的补偿值A2＝t0-t0’＝(1.5-1.498)ms＝0.002ms。将方波形式的角度指令的周期补偿值A1和方波形式的零位角度指令的补偿值A2相加，得到总的角度指令补偿值A＝A1+A2。将总的角度指令补偿值A补偿到输入的方波形式的角度指令解算出的角度值，完成指令角度补偿，具体过程如下：当发送方波形式的任意角度指令时，以△t为时间间隔，进行计数，计上升沿与紧随其后下降沿以△t为时间间隔的总数n1。解算出代表角度指令的时间t1’＝△t*n1。将角度补偿值补偿到解算出的代表角度指令的时间得到代表实际任意角度指令的时间：t1＝t1’+A。举例说明如下：当发送方波形式的任意角度指令为40°时，时间间隔△t为0.0002ms；计上升沿与紧随其后下降沿以△t为时间间隔的总数n1为9488，解算出代表角度指令的时间t1’＝△t*n1＝0.0002*9488ms＝1.8976ms，计算得到t1＝t1’+A＝(1.8976+0.00209488)ms＝1.89969488ms。按照如下公式计算实际的角度指令θ：式中，θ指实际的角度指令，单位度；t1指角度指令补偿到解算出代表任意角度指令后的时间值，单位ms；t0指代表理论零位角度指令的时间，单位ms；tmax指正向角度最大值对应的理论时间值，单位ms；tmin指负向角度值对应的理论时间值，单位ms间；θmax指正向最大角度值，单位度；θmin指负向最大角度值，单位度。举例说明如下：式(2)中角度指令补偿到解算出代表任意角度指令后的时间值t1为1.89969488ms；代表理论零位角度指令的时间t0为1.5ms；正向角度最大值对应的理论时间值tmax为2.0ms；负向角度值对应的理论时间值tmin为1.0ms；正向最大角度值θmax为+50°；负向最大角度值θmin为-50°进行计算：控制板(6)对该补偿后的角度值根据设定的输出摇臂的摆动角度范围进行限幅判断，如果该补偿后的角度指令值超出设定的输出摇臂的摆动角度范围，舍弃该补偿后的角度指令值，保持输出摇臂的目前状态；如果该补偿后的角度值在设定的输出摇臂的摆动角度范围，输出摇臂根据补偿后的角度指令值进行摆动。如图6所示，为角度限幅滤波+指令补偿的控制策略流程图，角度限幅滤波，将超出正确角度指令的伪指令剔除，防止电动舵机运动到极限位位置，损坏电动舵机和无人机；角度指令补偿从两方面进行考虑，一是方波指令的周期补偿，以校正无人机控制系统与电动舵机控制驱动器之间的时钟基准差，二是在捕获方波形式角度指令的上升沿和下降沿时带来的采集误差补偿，以零位角度指令为基准进行校正，计算出零位补偿值进行校正，综合指令的周期补偿和角度采集误差补偿，与采集到的任意角度指令进行叠加，参与位置闭环控制。综合上述控制策略，可以提高方波式角度指令的采集精度，采集精度为0.03°，采集精度提高10％～20％。中空式角位移传感器11在工作中输出角度信息，反馈给控制板6，控制板6将补偿后的方波形式的角度指令解算出的实际角度指令值和中空式角位移传感器11反馈的输出角度信息进行比较，得到产生的角度误差，根据该角度误差得到中间控制量U1，公式如下：U1＝U0+kp*e1+kd*(e1-e0)(3)式中，U1为本次的中间控制量；U0为前一次的中间控制量，在初始化时等于0；kp为比例系数，优选的取值范围为60～100，进一步优选方案为80；kd为微分系数，优选的取值范围为80～140，进一步优选方案为120；e1为本次角度误差，单位：度；e0为前一次的角度误差，单位：度；U1、U0、e1、e0初始化值为0。上式中，kp选取80，kd选取120时，此时电动舵机在满足响应速度、控制超调量情况下，稳态精度达到最小。将该中间控制量U1和设定的PWM周期值的比作为PWM占空比，在本系统中PWM周期值为327.6，对应PWM的频率为15.24KHz，经试验对比在该频率时，电动舵机的工作效率高、运行平稳、噪音小。在控制板6工作过程中，对限流标志位进行判断，若限流标志位为1，将PWM占空比置为0，输出给驱动板7；若限流标志位为0，将上面计算出的PWM占空比直接输出给驱动板7，驱动板7根据PWM占空比，输出直流无刷电机8的供电电压(理论供电电压波形如图7所示，PWM占空比范围为0～96％)，带动直流无刷电机8转动，直流无刷电机8的输出轴与行星减速器9的太阳轮固定连接，太阳轮14通过与行星减速器9啮合，直流无刷电机8通过输出轴输出的力矩和速度，经过行星减速器9的太阳轮14传递给行星减速器9后，根据行星减速器9的减速比，进行力矩和速度转换后，送至输出摇臂2，带动输出摇臂2摆动，实现位置闭环控制；限位螺钉16将前盖板5与壳体1固定连接，且对输出摇臂2起到机械限位的作用。如图3所示，上盖板3、后盖板4、前盖板5和壳体1组成密闭的中空腔体，并在接合处设计密封槽13，用密封垫进行填充，保证各部分盖板与壳体紧密配。在行星减速器9的输出轴和壳体1之间通过O型圈15起到密封作用，以适应无人机复杂的飞行环境。电连接器12对控制板6和驱动板7进行供电，控制板6连续采集N次供电电流感应出的与电流成线性关系的电压信号(主要原理为霍尔元件根据磁场感应出线性电压信号)，采集时间周期为1ms～2ms，推荐为1ms，该1ms时间周期包括控制板运行的最小时间0.7ms和按照设计原则预留的空闲时间约为0.3ms，设置为该周期可以提高对供电电流的采集频率，保证采集的实时性。控制板6根据感应出的线性电压信号还原出供电电流，将该供电电流与设定的电流限流值比较，该电流限流值为电动舵机的正常工作电流值的最大值，如果供电电流小于设定的电流限流值，置限流标志位为0；如果供电电流大于等于设定的电流限流值，置限流标志位为1，直至供电电流小于设定的电流限流值。设置限流标志，限流标志位为0表示不改变PWM占空比；限流标志位为1表示将PWM占空比置为0。驱动板7上设置有二级硬件限流电路，该硬件限流电路实时采集由一个采样电阻将代表供电电流信息的电流信号转换成的电压信号，该采样电阻值范围3.3KΩ～10KΩ，本系统中电阻值为5.1KΩ，可以保证该限流值高于一级限流值，而不超过电动舵机所能允许的最大极限电流；将采集到的电压信号与设定的电压值比较，设定的电压值为4.0V(该电压值接近5V控制电电压，并有一定的余量，可以保证该电压值在5V电压有波动时，不受干扰，同时该电压值设置的尽可能高，使测量的供电电流范围变宽，测量精度高)，如果采集电压信号大于等于设定的电压值，驱动板7将直流无刷电机8的供电电压置为0。如图8所示，限流控制策略包括两级限流，实现了对电动舵机及无人机的保护，一级限流策略主要由控制软件实现，限流值比二级限流值低，限流响应速度为ms级较二级限流速度慢，可以保证电动舵机完成正常工作所需的驱动能力；二级限流由硬件控制电路实现，响应速度为us级，可以保证超过硬件限流值时，快速关断供电电压输出，保护电动舵机及无人机的安全。本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。