一种无人机电动舵机系统的制作方法

1.本发明涉及电动舵机技术领域，具体是指一种无人机电动舵机系统。


背景技术：

2.无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。无人机实际上是无人驾驶飞行器的统称，与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。由于无人驾驶飞机对未来空战有着重要的意义，世界各主要军事国家都在加紧进行无人驾驶飞机的研制工作。目前，无人机可以通过地面上的操作者手动控制遥控器进行控制或提前设定路径进行自主巡航，在此过程中无人机需要通过设置在无人机上的电动舵机实现转向，但目前的无人机用的电动舵机减速传动结构复杂、整体尺寸较大、使用寿命短，通常指具有数据传输能力，无法实现软件的在线烧写功能，无法进行后续升级。


技术实现要素：

3.本发明要解决的是现有的无人机电动舵机减速机构复杂、无升级能力的技术问题，提供一种具有升级潜力、工作稳定、整体结构尺寸小型化的无人机电动舵机系统。
4.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种无人机电动舵机系统，所述的无人机电动舵机系统由无人机上的热电池供电，所述无人机电动舵机系统包括若干个独立控制的舵机，每个所述的舵机分别拖动一个舵面，所述的舵机包括电机、角位置传感器、减速传动机构及舵机控制器，所述的舵机控制器的外部设有总线通讯及电源接口和传动机构接口，所述的舵机控制器上的总线通讯及电源接口和传动机构接口分别通过电缆与所述的无人机一体化控制器、电机及角位置传感器连接，所述的角位置传感器设置在舵机的输出轴上，所述的减速传动机构采用普通齿轮传动机构、行星齿轮传动机构、谐波齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、滚珠丝杠传动机构及齿轮副+谐波传动机构中的任意一种，所述的舵机采用单回路反馈控制，所述的舵机控制器中的控制校正网络采用pid控制对若干个舵机进行独立控制。
5.作为改进，所述的电机采用无刷直流电机或有刷直流电机中的任意一种。
6.作为改进，所述的电机采用无刷直流电机。
7.作为改进，所述的角位置传感器采用磁编码电位器。
8.作为改进，所述的减速传动机构采用齿轮副+谐波传动机构，电机经齿轮后减速，再经谐波齿轮减速输出。
9.作为改进，所述的齿轮副包括设置在电机输出轴上的齿轮一及与其啮合的齿轮二，所述的齿轮二的规格尺寸大于齿轮一，所述的谐波传动包括与齿轮二同轴固连的谐波柔轮及与谐波柔轮配合的谐波钢轮，所述的谐波钢轮与舵机输出轴固连。
10.作为改进，所述的舵机控制器上的对外接口包括28v供电连接器和通讯连接器，所述的28v供电连接器的型号为j30j-21zk，所述的通讯连接器的型号为g30j-15zk，具有
rs422总线接口。
11.作为改进，所述的舵机控制器的核心处理器采用arm单片机，内置adc，所述的arm单片机形成pwm控制信号经功率放大后对电机进行驱动。
12.作为改进，所述的舵机控制器中设有外部电路，所述的外部电路中包括两路emc滤波器、非隔离型dc-dc变换器、隔离型dc-dc变换器、rc滤波器及ldo稳压器，其中一路emc滤波器对控制电源进行一次emc滤波，滤波后的一次电源后级使用非隔离型dc-dc变换器变换成后级工作所需的+5v电源，给霍尔、电机驱动逻辑及隔离电路供电，另外经过隔离型dc-dc变换器产生+5v电源经rc滤波器后给角位置传感器供电，经rc滤波器及ldo稳压器分别产生两路3.3v电源作为arm单片机的模拟电源和数字电源使用，另一路emc滤波器对控制电源进行滤波产生功率电源给电机供电。
13.作为改进，所述的外部电路中还包括功率驱动电路，所述的功率电源输入功率驱动电路，所述的功率驱动电路由工业级电机控制集成电路和离散的三相h桥组成，所述的功率驱动电路内部自带死区控制电路、电流瞬间保护及节电电路。
14.本发明与现有技术相比的优点在于：
15.①
本发明通过采用齿轮副+谐波传动的结构形式制成减速传动机构，在谐波前增加的一级齿轮副，可以灵活地调节系统减速比，改变传动方向，满足设计需求，谐波侧隙极小，单位重量的承载能力大，结构紧凑，短时过载能力强，效率也较高；
16.②
本发明采用无刷直流电机，具有良好的机械特性，体积小、重量轻、转速高、功率大；
17.③
本发明缩小电动舵机的整体尺寸，有利于小型化、轻量化发展；
18.④
本发明舵机控制器具备rs422总线通讯功能，该技术具有架构简单、冗余度高、抗干扰能力强等特点，舵机控制器最高可设置1m的传输速率，可满足系统使用要求，舵机控制器采用rs422通讯总线可以实现与地面测试台、上级系统的信息传递，便于产品参数调试和后续使用，利用rs422总线系统还能实现软件的在线烧写功能，为后续软件升级提供了便捷的方式。
19.上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方法、实施方式和特征将会更加清晰。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明舵机控制器结构接口图。
22.图2是本发明无人机电动舵机系统方案框图。
23.图3是本发明单个通道舵机回路信号处理示意图。
24.图4是本发明单通道系统回路整体仿真模型图。
25.图5是本发明利用matlab完成各模块传递参数建模示意图。
26.图6是本发明舵机控制网络开环幅频特性示意图。
27.图7是本发明空满载正弦输入条件下系统响应仿真曲线示意图。
28.图8是本发明空满载阶跃输入条件下系统响应仿真曲线示意图。
29.图9是本发明空满载条件下系统闭环幅频特性仿真曲线示意图。
30.图10是本发明舵机控制器总体方案示意图。
31.图11是本发明电源系统示意图。
32.图12是本发明软件流程图。
33.图13是本发明0.5ms定时器中断后的软件流程图。
具体实施方式
34.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
35.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
36.下面结合全文对本发明做进一步的详细说明。
37.结合图1～图12，一种无人机电动舵机系统，无人机电动舵机系统由无人机上的热电池供电，所述无人机电动舵机系统包括五个独立控制的舵机，五个舵机分别拖动一个舵面，舵机包括电机、角位置传感器、减速传动机构及舵机控制器，电机采用无刷直流电机，角位置传感器采用磁编码电位器，舵机控制器的外部设有总线通讯及电源接口和传动机构接口即28v供电连接器和通讯连接器，28v供电连接器的型号为j30j-21zk，通讯连接器的型号为g30j-15zk，具有rs422总线接口，舵机控制器上的总线通讯及电源接口和传动机构接口分别通过电缆与无人机一体化控制器、电机及角位置传感器连接，角位置传感器设置在舵机的输出轴上，减速传动机构采用普通齿轮传动机构、行星齿轮传动机构、谐波齿轮传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、滚珠丝杠传动机构及齿轮副+谐波传动机构中的任意一种，舵机采用单回路反馈控制，舵机控制器中的控制校正网络采用pid控制对五个舵机进行独立控制。
38.减速传动机构采用齿轮副+谐波传动机构，齿轮副包括设置在电机输出轴上的齿轮一及与其啮合的齿轮二，齿轮二的规格尺寸大于齿轮一，谐波传动包括与齿轮二同轴固连的谐波柔轮及与谐波柔轮配合的谐波钢轮，谐波钢轮与舵机输出轴固连。
39.舵机控制器的核心处理器采用arm单片机，内置adc，arm单片机形成pwm控制信号经功率放大后对电机进行驱动，舵机控制器中设有外部电路，外部电路中包括两路emc滤波器、非隔离型dc-dc变换器、隔离型dc-dc变换器、rc滤波器及ldo稳压器，其中一路emc滤波器对控制电源进行一次emc滤波，滤波后的一次电源后级使用非隔离型dc-dc变换器变换成后级工作所需的+5v电源，给霍尔、电机驱动逻辑及隔离电路供电，另外经过隔离型dc-dc变换器产生+5v电源经rc滤波器后给角位置传感器供电，经rc滤波器及ldo稳压器分别产生两路3.3v电源作为arm单片机的模拟电源和数字电源使用，另一路emc滤波器对控制电源进行
滤波产生功率电源给电机供电，外部电路中还包括功率驱动电路，功率电源输入功率驱动电路，功率驱动电路由工业级电机控制集成电路和离散的三相h桥组成，功率驱动电路内部自带死区控制电路、电流瞬间保护及节电电路。
40.实施例
41.电动舵机由直流无刷伺服电机、磁编码电位计、减速传动机构及舵机控制器组成，舵机控制器中的外围电路含控制软件，舵机控制器和电动舵机通过电缆连接，无人机上的热电池为舵机控制器及电机提供工作能源。
42.电动舵机采用舵面偏角位置伺服方案，回路控制算法通过arm单片机及外围电路实现，其工作过程如下：无人机飞控系统电源激活后，输出28v标称电压的控制电源和功率电源，其中控制电源通过电源转换模块dc-dc给信号处理电路供电，功率电源直接给电机驱动电路供电，并通过dc-dc产生电机驱动逻辑的供电，arm单片机芯片利用经一体化控制器解算的舵指令信号与舵机反馈回路检测到的舵偏位置电压信号求和，形成偏差量用于控制算法解算，arm单片机完成算法处理后形成电机控制用的脉宽调制信号即pwm信号，pwm信号经隔离驱动电路输出给工业级电机控制集成电路及h桥功率放大器，将信号功率放大，驱动电机旋转，电机输出扭矩和转速，通过减速传动机构传递到输出轴—舵面，在克服外界气动铰链力矩情况下，操纵空气舵面按照规定的角度偏转。
43.舵机控制器上的28v供电连接器型号为：j30j-21zk，接点定义如下表1；
44.表1
[0045][0046]
舵机控制器上的通讯连接器型号为：j30j-15zk，接点定义如下表2。
[0047]
表2
[0048][0049]
[0050]
电机选型：舵机和其他伺服系统一样，功率由负载力矩和最大角速度决定，在飞行过程中，舵机的负载将随着舵面的转角和飞行状态而变化，根据总体积设计指标得知电动舵机的最大铰链力矩和最大角速度，从这两项参数可以推出舵机的输出功率，上述功率是指匀速情况下舵机的输出功率，考虑到在飞行过程中，舵机进行随动跟踪，其跟踪过程必然存在加速过程，在加速比较大时由加速度引起的惯性力矩消耗的功率一般都很大，再考虑到减速系统的效率等因素，电机输出的功率按照两倍舵机输出功率计算，估算电机的最大输出功率p
dmax
：
[0051]
p
dmax
＝2
×mhmax
ω
max
[0052]
式中：m
hmax
—最大铰链力矩(n
·
m)；
[0053]
ω
max
—最大角速度(
°
/s)；
[0054]
p
dmax
—电机输出最大功率(w)。
[0055]
舵机负载功率输出计算公式为：
[0056]
p＝t
×
ω
[0057]
式中：p—负载输出功率，w；t—负载转矩，nm；ω—负载角速度，rad/s。
[0058]
电机主要参数如下表3所示。
[0059]
表3
[0060][0061][0062]
减速传动机构：
[0063]
a)传动比：不小于400，采用两级传动，锥齿轮减速比4，谐波减速比100，输入轴与输出轴垂直；
[0064]
b)传功效率：不低于0.55；
[0065]
c)额定输入转速：不小于9000rpm，最高输入转速：不小于12000rpm；
[0066]
d)额定输出转矩：不小于30n
·
m；
[0067]
e)最大输出转矩：不小于40n
·
m；
[0068]
f)瞬时峰值输出转矩：不小于50n
·
m；
[0069]
g)传动精度：不大于0.1
°
；
[0070]
h)输出反馈要求：产品输出轴应能提供与反馈电位计安装的接口，具有将输出轴
的位置传递给反馈电位计的功能。
[0071]
舵机五通道独立工作，分别根据来自rs422的各自指令输入信号及来自各自的磁编码电位器反馈信号完成舵机控制校正网络计算等信号处理，两路通道独立计算及输出，相互之间完全独立，单个通道舵机回路信号处理如图3所示。
[0072]
舵机采用位置单回路反馈控制设计，舵机控制校正网络也采用pid控制，可通过较为简洁的控制网络及参数，占用较少的信号处理计算资源，实现在各种负载条件下鲁棒性强、高精度的舵机控制，单通道系统回路整体仿真模型如图4所示，利用matlab完成各模块传递参数建模如图5所示，对设计的网络参数进行开环仿真如图6所示，确定系统控制网络参数有足够的设计裕量。
[0073]
对建立的模型结合pid参数开展闭环初步仿真，按照指标负载要求，在空载和负载条件下分别开展正弦指令跟踪仿真、阶跃指令跟踪仿真及幅频特性分析仿真，如图7～图9所示，通过仿真，初步确定舵机系统工作点有足够的设计裕度，系统响应指标满足要求，证明核心元器件性能满足设计需求。
[0074]
舵机控制器采用arm单片机控制，功率驱动集成设计方案，采用一片单片机独立控制五路舵机，舵机控制器外部留有总线通讯及电源接口和传动机构接口如图1所示，分别用于与一体化控制器通讯、电源输入，接收传动机构反馈信号，输出电机驱动电流，舵机控制器核心处理器为arm单片机，利用其内部adc直接对五路舵机的磁编码电位器进行取样，实时获得当前舵偏的信息，与从rs422接口接收的角位置指令进行合成，形成舵偏的误差量，经过相关的算法形成舵机的pwm型控制信号，pwm控制信号经隔离驱动后控制无刷电机集成控制芯片产生合适的三相驱动信号并经三相h桥功率放大，驱动无刷直流电机转动，arm单片机通过rs422接口实时地将当前的舵偏角位置信号反馈给弹载计算机，控制器总体方案如图10所示。
[0075]
电源系统考虑到系统信号隔离及emc需求，对控制电b1输入级进行一次emc滤波，滤波后的一次电源后级使用非隔离型dc-dc变换成后级工作所需要的+5v电源，给霍尔、电机驱动逻辑及隔离电路供电，另外经过隔离型dc-dc产生+5v电源经rc滤波器后给磁编码电位器供电，经rc滤波器及ldo稳压器分别产生两路3.3v电源，分别作为arm单片机的模拟电源和数字电源(含给隔离rs422使用)使用，控制电b1输入级经另一路emc滤波器产生功率电源给电机驱动电路供电，整个电源系统如图11。
[0076]
舵机控制器中内置控制软件，rs422接收上位机的指令信号，并采集舵机角度反馈信号，并根据这些信息完成控制算法解算，输出相应占空比的pwm信号驱动功率电路，以便实现对执行机构的控制，实时上传舵机运行状态、关键部件状态信息以及自检测(bit)结果，软件配置项采用标准asic设计，过程中遵循软件开发必要流程。具体功能包括：
[0077]
1)通过数据总线接收来自飞控系统的舵机控制指令；
[0078]
2)采集舵机位置反馈信号；
[0079]
3)完成舵回路位置环的算法解算；
[0080]
4)对舵机进行状态监控，形成舵机检测bit信号；
[0081]
5)通过总线向飞控系统回传舵机控制器工作状态。
[0082]
舵机控制软件由系统初始化、信息交互、信号处理、模型解算等部分组成，具体描述如下：
[0083]
系统初始化：包括系统初始化、设备驱动、中断处理和硬件管理四个功能模块，完成舵机控制器的初始化，为舵机控制器正常工作建立必要的环境，设备驱动包括总线通讯驱动程序、ad驱动程序以及看门狗驱动程序，完成系统外部设备和内部资源的驱动，硬件管理包括系统的硬件资源管理(片上资源管理、外界设备资源管理)和故障信号管理；
[0084]
信息交互：完成来自飞控系统指令解析、控制算法解算，并输出相应的pwm控制信号；
[0085]
信号处理：完成五路舵机的校正网络独立计算；
[0086]
模型解算：将舵机输出的位置信号和舵机控制器输出的控制指令与舵回路特征模型进行比较，监控舵机控制器输出是否故障。
[0087]
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。