一种无人机用一体式电动舵机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种无人机用一体式电动舱机，属于无人机舱面控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 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舱机提出了更高的要求。电动舱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舱面角度，W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。
[0003] 国内外针对无人机舱机系统也做了大量的研究。化t油a公司和Dynamixel的系列 舱机能够提供各种小功率舱机。国内，北京航空航天大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学 W及相关科研院所等单位开展了无人机用电动舱机的研究。目前的无人机用电动舱机多为 W直流有刷电机作为动力源、小扭矩型舱机，不能满足逐渐提高的扭矩和可靠性的要求。
[0004] 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。传统无人机用电动舱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。
【发明内容】
阳〇化]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舱机，实现无人机偏转、俯仰、翻滚等姿态的精确调整。该电动舱机可 W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。
[0006] 本发明的技术解决方案是：一种无人机用一体式电动舱机，包括：舱机和控制驱 动器，舱机包括壳体（1)、输出摇臂（2)、上盖板（3)、后盖板（4)、前盖板巧）、直流无刷电机 (8) 、行星减速器巧）、角位移传感器卡髓（10)、中空式角位移传感器（11)、电连接器（12); 控制驱动器包括：控制板化）、驱动板（7);
[0007] 将直流无刷电机（8)、行星减速器巧）、中空式角位移传感器（11)依次连接，形成 串联式布局，安装在舱机壳体（1)的中间；行星减速器巧）固定在舱机壳体（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)的定子通过卡髓（10)、螺钉（17)固定在舱机壳 体（1)上，输出摇臂（2)的一端也固定在行星减速器巧）的输出轴上；
[0008] 控制板和驱动板固定安装在舱机壳体（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；
[0009] 控制板（6)接收从电连接器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 ;
[0010] 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;
[0011] 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0 ;
[0012] 中空式角位移传感器（11)在工作中输出角度信息，反馈给控制板化），控制板化） 将解算出的实际角度指令0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Ui;
[0013] 将该中间控制量Ui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 ;
[0014] 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巧）的太阳轮（14)固定连接，太阳轮（14)通过与行星减速器（9)晒 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，根据行星减速器巧）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)将前盖板巧） 与壳体（1)固定连接，且对输出摇臂（2)起到机械限位的作用；
[001引上盖板（3)、后盖板（4)、前盖板妨和壳体（1)组成密闭的中空腔体；
[0016] 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0，控制板（6)对解算出的实际角度0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0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9,保持输出摇臂的目前状态；
[0017] 如果该解算出的实际角度0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0进行摆动。 阳〇1引所述中间控制量Ui,公式如下：
[0019] U1 =U0+kp*el+kd* (el-eO) (3)
[0020] 式中，U1为本次的中间控制量； 阳02U U0为前一次的中间控制量，在初始化时等于0 ; 阳0巧 kp为比例系数； 阳〇2引 kd为微分系数；
[0024] el为本次角度误差，单位：度；
[00巧]eO为前一次的角度误差，单位：度；
[0026] 所述kp的取值范围为60~100。
[0027] kd的取值范围为80~140 ;
[002引所述电连接器（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舱机的正常工 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，
[0029] 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。
[0030] 本发明与现有技术相比的有益效果为：
[00川 （1)本发明将舱机本体结构居中、控制板、驱动板两侧对称布局，有效利用电动舱 机的空间，利于进行一体式集成化设计；舱机与控制驱动器进行集成设计，解决了舱机、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，该电动舱 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lONm，解决了在同类结构尺寸、重量下，大输出力矩的要求； 阳0巧