基于谐波减速机构的电动舵机设计方法与流程

本发明涉及一种电动舵机，特别是涉及一种基于谐波减速机构的电动舵机设计方法。

背景技术：

舵机作为航弹、多功能弹和地空弹等控制与结构的统一体，弹上信号流与功率流的结合部，它既是控制系统的执行机构，又是导弹结构的重要组成部分，其性能好坏直接影响航弹、多功能弹和地空弹等的性能。因此，控制总体对舵机的比性能、比功率要求很高。它的功能是执行控制系统发出的指令，即根据弹上控制器输出的一定大小和极性的信号，操纵弹体的舵翼，依靠弹体飞行中舵翼偏转产生的空气动力及气动力矩，稳定和控制弹体，使弹体按设计的弹道飞行，直至命中目标。

电动舵机由于使用方便，没有泄漏，合乎弹载能源单元化要求，随着磁性材料和电子元器件的发展，电动舵机在快速性、负载刚度、温升等方面的改善，其应用越来越广泛。

在跟踪速率、输出扭矩不变的情况下，减速机构的体积、重量很难做得很小，而目前国内现有的谐波减速器有25型、32型、40型、50型等等。32型谐波减速器应用到电动舵机后，额定扭矩可达10Nm，最大输出扭矩短时可达15Nm；40型谐波减速器应用到电动舵机后，额定扭矩可达30Nm，最大输出扭矩短时可达40Nm；当电动舵机的额定扭矩要求在15－25Nm时，32型谐波减速器不能满足使用要求，而40型谐波减速器虽能满足电动舵机使用要求，但却不能满足电动舵机体积小、重量轻的要求。

因此，有必要提供一种基于谐波减速机构的电动舵机设计方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于谐波减速机构的电动舵机设计方法。

本发明的技术方案如下：一种基于谐波减速机构的电动舵机设计方法，包括如下步骤：

步骤1，构建舵系统控制原理框图和系统仿真模型图；

步骤2，确定舵电机和减速机构的主要指标；

步骤3，设计35.5型谐波减速器；

步骤4，设计空心杯电机。

优选的，所述步骤2包括：

步骤21，设计空心杯电机；

步骤22，设计减速机构减速比。

本发明基于35.5型谐波减速器采用空心杯电机，主要完成了额定输出扭矩25Nm、额定角速率为120°/s±10°/s电动舵机的研制，包括电动舵机负载特性、动态特性的设计，舵机电缆的设计，35.5型谐波减速器的设计，空心杯电机的设计以及电动舵机的标定、测试技术以及电动舵机的装调、检测、各种试验等研究内容。目前该项目已完成工程样机的研制，工程样机已随总体进行了所有试验，表现良好。

【附图说明】

图1为舵系统控制原理框图；

图2为系统仿真模型图。

【具体实施方式】

下面通过实施方式对本发明作进一步说明。

请参阅图1和图2，舵系统、电动舵机数学模型的建立以及负载特性与动态特性的模拟仿真技术：电动舵机的设计不仅牵扯电动舵机自身参数的选择，而且牵扯舵机控制器控制参数的选择。因此，就要求设计人员不仅要掌握电动舵机自身的各项技术参数，还要掌握舵机控制器的控制模型及参数。而电动舵机自身参数要依据用户提出的转矩指标、转速指标和额定电流、带宽指标综合确定，同时还要兼顾舵机控制器控制参数的选择，几者要相互兼顾、互相补充。该电动舵机在设计时通过建立舵系统数学模型，调整电动舵机自身阻尼及电气参数以及舵机控制器的各项参数，很好地满足了电动舵机的负载特性和动态特性。

基于谐波减速机构的电动舵机设计方法，包括如下步骤：

步骤1，构建舵系统控制原理框图和系统仿真模型图；

构建舵系统的控制原理框图并对舵系统进行模拟仿真；通过不断优化和匹配电动舵机与舵机控制器的各项参数，解决了舵系统的动态特性。

步骤2，确定舵电机和减速机构的主要指标；

确定出舵电机主要技术指标和减速机构的减速方案以及减速模式，在此基础上再求出减速机构的减速比范围，根据工程经验确定出最终的减速比。

步骤3，设计35.5型谐波减速器；

由于电动舵机是在弹体内安装，因此电动舵机的体积、重量就是一个主要指标，根据体积最小原则对减速比进行分配。考虑到谐波减速器设计的一般要求，谐波减速的减速比取100：1，锥齿轮的减速比取3：1。对锥齿轮进行调质处理，以获得粒状索氏体组织，以便很好地发挥合金钢的强度、塑性和韧性，借此以达到较好的综合力学性能，从而使机械零件在服役期延长整机的使用寿命。通过调整锥齿轮的啮合状况来达到刚性齿轮减速机构的传动精度，解决了齿轮组传动时的噪音问题。

步骤4，设计空心杯电机；

电动舵机的使用特点就要求舵电机具备快速响应能力，即机械时间常数要小。要减小电动舵机的机电时间常数就要提高舵电机的力矩系数，或减小电动舵机的转动惯量。为此我们采用了高性能的钕铁硼磁钢和空心杯技术，解决了电动舵机的快速响应问题。

为了满足舵系统快速响应的要求，当电压控制信号改变时，要求舵机输出转角变化能迅速跟上控制信号的改变。当减速器传动链各项参数一定的时候，就需要电动舵机的动态过渡过程越短越好。而要缩短电动舵机的动态过程就要增大舵机电机的力矩系数或减小电动舵机的转动惯量，为此我们采用了高性能的钕铁硼磁钢和空心杯技术，解决了电动舵机的快速响应问题。

优选的，所述步骤2包括：

步骤21，设计空心杯电机；

由舵机技术指标可知

额定转矩T＝25Nm

最大峰值转矩TMAX＝35Nm

额定角速率Ω＝120°/s取2rad/s

计算可得

舵机输出轴额定输出功率

P＝T·Ω

＝25×2

＝50W (1)

舵机输出轴最大输出功率

PMAX＝TMAX·Ω

＝35×2

＝70W (2)

减速机构拟采用2级减速，第一级为锥齿轮传动效率按95％计算，采用滚动轴承支撑传动效率按99％计算；第二级为谐波传动效率按80％计算，采用滚动轴承支撑传动效率按99％计算。

由此可见减速机构的传动效率为

η＝0.95×0.99×0.8×0.99

＝0.745 (3)

由(1)、(3)可得空心杯电机的额定输出功率为

PN＝P/η

＝50/0.745

＝67W

由(2)、(3)可得空心杯电机的额定输出功率为

PMAX＝PMAX/η

＝70/0.745

＝94W

考虑到安全系数结合空心杯电机的过载特性，舵机电机的额定功率按100W设计。

步骤22，设计减速机构减速比。

按空心杯电机额定扭矩0.09Nm计算，减速比i1＝25/0.09＝277.8

按空心杯电机额定转速6750rpm计算，减速比i2＝(6750×360/60)/120＝337.5

减速机构的实际减速比i应i1≤i≤i2，结合谐波减速器规范最后确定减速比为300。

本发明基于35.5型谐波减速器采用空心杯电机，主要完成了额定输出扭矩25Nm、额定角速率为120°/s±10°/s电动舵机的研制，包括电动舵机负载特性、动态特性的设计，舵机电缆的设计，35.5型谐波减速器的设计，空心杯电机的设计以及电动舵机的标定、测试技术以及电动舵机的装调、检测、各种试验等研究内容。目前该项目已完成工程样机的研制，工程样机已随总体进行了所有试验，表现良好。

考虑到电动舵机动力线瞬间电流、额定电流均较大拟采用双线供电，考虑到空心杯电机转子感性不足，在舵机电缆中串入电感；考虑到反馈电位计中间抽头要反馈信号，所以采用了双线冗余设计；考虑到信号线、动力线各自间的电容效应，采用了绞线技术；考虑到动力线强信号的对外干扰以及信号线弱信号的电磁防护，采用了屏蔽技术；考虑到电动舵机与整弹地线的一致性，从电动舵机壳体接入地线经电缆与弹上地线导通。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。