本設(shè)計涉及一種壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)和舵機(jī)伺服方法。

背景技術(shù)：

目前廣泛應(yīng)用在無人飛行器上的舵機(jī)，在較大的響應(yīng)幅度下其響應(yīng)頻率難以滿足飛機(jī)的穩(wěn)定性控制需求。傳統(tǒng)的無人飛行器舵機(jī)采用電機(jī)帶動，其響應(yīng)頻率和電壓正相關(guān)，與載荷負(fù)相關(guān)。當(dāng)高速飛行時，飛行器的機(jī)翼容易產(chǎn)生不良的氣動彈性現(xiàn)象，比如顫振問題，其解決方法是利用舵面進(jìn)行顫振抑制。而高速飛行會使舵面的載荷增大，如果超過傳統(tǒng)舵機(jī)的工作區(qū)間，響應(yīng)頻率便大大減小，無法實(shí)現(xiàn)合理的氣動彈性伺服控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)，其提高了舵機(jī)伺服的響應(yīng)速度和控制頻率。壓電陶瓷舵機(jī)輸入不同的電壓會輸出不同的微小位移，利用一套機(jī)械放大機(jī)構(gòu)能夠放大位移，并把位移信號轉(zhuǎn)化為扭轉(zhuǎn)信號，輸出扭轉(zhuǎn)信號便可以帶動舵面轉(zhuǎn)動。壓電陶瓷作動器能迅速將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘?，因此舵機(jī)伺服的最大工作頻率取決于壓電陶瓷作動器的工作頻率，其工作頻率比電機(jī)驅(qū)動的舵機(jī)高，因此可以提高響應(yīng)速度和控制頻率。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)，其特征在于包括：

壓電作動器，用于把電信號轉(zhuǎn)化為位移信號，

連桿，其一端與壓電作動器相連，其另一端與舵機(jī)的舵面相連，用于放大壓電作動器的位移，并把該位移的信號轉(zhuǎn)化為驅(qū)動舵面的轉(zhuǎn)動信號。

根據(jù)本發(fā)明的一個進(jìn)一步的方面，提供了帶有上述的壓電陶瓷 作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的舵機(jī)，其特征在于進(jìn)一步包括上述舵面。

根據(jù)本發(fā)明的一個進(jìn)一步的方面，提供了上述的壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的舵機(jī)伺服方法，其特征在于包括：

給壓電作動器輸入電信號，輸入的電信號不同則壓電作動器的伸長量不同，

通過連桿把壓電作動器的運(yùn)動傳遞至舵面，引起舵面的偏轉(zhuǎn)。

本發(fā)明的有益效果包括：

克服了傳統(tǒng)的電機(jī)舵機(jī)響應(yīng)速度有限，特別是在負(fù)載情況下響應(yīng)頻率下降明顯的問題；提高了舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的控制頻率，使舵機(jī)控制的舵面有更高的響應(yīng)速度，能夠滿足高頻響應(yīng)下的氣動彈性控制，為舵機(jī)伺服的顫振抑制提供了一種新的解決方案，為快速機(jī)動和控制提供了一種新的解決方法，具有好的應(yīng)用前景。當(dāng)壓電作動器縱向變形達(dá)到最大時，壓電舵機(jī)的舵面能達(dá)到±12.5°的偏轉(zhuǎn)角。

附圖說明

圖1是帶有根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的壓電舵機(jī)的軸測圖。

圖2是如圖1所示的壓電舵機(jī)的俯視圖。

圖3是如圖1所示的壓電舵機(jī)的側(cè)視圖。

附圖標(biāo)記：

1—舵面；2—連桿；3—底座；4—壓電作動器；5—支架。

具體實(shí)施方式

針對現(xiàn)有技術(shù)無人飛行器上的舵機(jī)難以實(shí)現(xiàn)合理的氣動彈性伺服控制的問題，本發(fā)明人進(jìn)行了研究；本發(fā)明人考慮到，壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。壓電陶瓷材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不受潮濕和其它大氣條件的影響，而且壓電陶瓷可做成任何形狀和大小，其極化方向可自由選擇，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。由于材料非常堅硬，所以具有很大的承載能力。壓電陶瓷已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高精度光電儀器，微小型機(jī)器人等領(lǐng)域，其控制精度達(dá)到納米級別。

在考慮到壓電材料作動頻率和出力特性的基礎(chǔ)上，本發(fā)明進(jìn)行了試驗(yàn)，嘗試以壓電作動器為伺服機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)操縱舵面的控制，以 期提高現(xiàn)有舵機(jī)的響應(yīng)速度和控制頻率。

經(jīng)過本發(fā)明人的上述努力，獲得了一種壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)。

利用壓電陶瓷作動器設(shè)計的舵機(jī)，舵機(jī)的工作頻率取決于壓電陶瓷作動器的工作頻率。由于壓電陶瓷作動器的工作頻率能達(dá)到上百赫茲，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)壓電舵機(jī)的工作頻率(50赫茲以內(nèi))，所以壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)在高速無人機(jī)氣動彈性伺服控制有良好的應(yīng)用前景。

以下結(jié)合附圖和非限定性的實(shí)施例，對根據(jù)本發(fā)明的壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行描述。

在圖1－3所示的帶有根據(jù)本發(fā)明的壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)的壓電舵機(jī)中，壓電作動器4是壓電舵機(jī)的核心部分，其把電信號轉(zhuǎn)化為位移信號，連桿2是放大機(jī)構(gòu)的主要部分，除了放大壓電作動器4產(chǎn)生的微小位移，同時把該微小位移的信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動信號，舵面1是壓電舵機(jī)的工作部分，底座3和支架5是壓電機(jī)構(gòu)的固定部分。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，所有轉(zhuǎn)動副均采用鉸鏈傳動，支架5與底座3的連接是采用螺釘螺母(未顯示)夾緊。底座開槽(未顯示)略大于螺釘直徑，安裝精度通過實(shí)驗(yàn)測試調(diào)整保證。

放大機(jī)構(gòu)放大位移的過程：若在初始位置時，舵面1偏轉(zhuǎn)角為零，壓電作動器4和連桿2的結(jié)構(gòu)對稱線位于同一直線上，當(dāng)壓電作動器4伸長時，通過三角形放大，產(chǎn)生一個比較大的垂直于壓電作動器4結(jié)構(gòu)對稱線的位移。例如，在一個實(shí)際應(yīng)用例中，當(dāng)壓電陶瓷作動器4的長度為50毫米時，如果壓電作動器4伸長5微米，放大機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生大約0.5毫米的垂直位移。

壓電作動器4帶有導(dǎo)線(未顯示)以輸入電信號，輸入電壓不同則壓電作動器的伸長量不同，壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)把運(yùn)動傳遞至舵面1，引起舵面1的偏轉(zhuǎn)。舵面1處于基準(zhǔn)位置時，壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，壓電作動器4輸入的電壓為0。為使舵面1偏離基準(zhǔn)位置達(dá)到某一個偏轉(zhuǎn)角，兩個壓電作動器4中的一個首先輸入電壓，壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)偏離死點(diǎn)位置，舵面1偏轉(zhuǎn)，此時再輸入所需偏轉(zhuǎn)角對應(yīng)的電壓值，就能使舵面1偏轉(zhuǎn)達(dá)到所需的偏轉(zhuǎn)角。

為了保證加工精度，所有零件采用高精度機(jī)加工方式。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種壓電陶瓷作動器舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)和舵機(jī)伺服方法，其克服了傳統(tǒng)的電機(jī)舵機(jī)響應(yīng)速度有限，特別是在負(fù)載情況下響應(yīng)頻率下降明顯的問題。采用壓電陶瓷作動器帶動舵機(jī)工作，其響應(yīng)速度大大提高，能夠滿足高頻響應(yīng)下的氣動彈性控制，為舵機(jī)伺服的顫振抑制提供了一種新的解決方案，具有好的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：謝長川;安朝;吳越;李維浩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2016.01.19
技術(shù)公布日：2017.07.25