一种无人机用分布式电动舵机的研究

冉令峰

摘 要：本文设计了一种无人机用分布式电动舵机，主要采用RS-422总线和分布式布局的设计思路，完成了控制电路、功率放大电路、执行机构和控制软件的设计。同时，通过多学科的联合仿真及试验验证，证明该电动舵机设计方案的合理性和可行性，以满足无人机对电动舵机的需求。

关键词：无人机;分布式;电动舵机;联合仿真

Abstract： In this paper， a distributed electric actuator for UAV was designed. The control circuit， power amplifier circuit， actuator and control software were designed by using RS-422 bus and distributed layout. At the same time， through multi-disciplinary joint simulation and experimental verification， the rationality and feasibility of the design scheme of the electric actuator were proved to meet the requirements of the UAV for the electric actuator.

Keywords： UAV;distributed;electro actuator;joint simulation

无人驾驶飞机简称为无人机，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机[1]。无人机能根据任务需要来搭载不同载荷，同时能进行回收，重复使用。在军事领域，无人机因具有高灵活性、可搭载多载荷、工作时间长、生存能力强、较低的维修成本等优点[2，3]，可以更好地完成监视、侦察、对目标进行打击以及空中预警等任务，对军事任务的完成具有重要意义。舵机作为无人机的重要执行机构，根据飞行控制系统的控制指令，控制舵面进行偏转，进而调节无人机的横滚、俯仰和偏航等姿态[4-6]。

本文设计了一种以RS-422总线、无刷直流电机驱动、滚珠丝杠副作为执行机构的分布式电动舵机，提高控制精度和可靠性，满足无人机对电动舵机的需求。

1 电动舵机设计

本文设计的电动舵机是以嵌入式数字信号处理器（DSP）为核心构成的数字无刷单环位置反馈式伺服系统，由控制电路、功率放大电路、执行机构和控制软件组成。

无人机的8个通道采用分布式的布局方式，即每个通道的执行机构布置在相应的舵面附近，总体布局模型如图1所示。

工作原理：DSP综合舵控指令和舵面位置反馈信息，通过RS-422总线，经PID控制算法运算后，输出控制指令给执行机构中的功率放大电路，驱动无刷直流电动机转动，经减速机构减速，通过传动机构输出系统所需的驱动力矩，克服舵面上的负载力矩，推动舵面转动到指令规定的位置。

1.1 控制电路设计

控制电路主要由数字信号处理电路、总线驱动电路、差分接收电路、位置解码电路、通信接口电路、功率电源电压检测电路和二次电源变换电路等组成。

工作原理：控制电路采用以DSP为核心的全数字控制方式，以RS-422总线实现与外部信息的交换。通过DSP的SPI接口接收8个执行机构中位置传感器的测角信息，在DSP内进行综合运算后输出控制信号，实现对8通道执行机构的驱动控制。

控制电路的组成框图如图2所示。

1.2 功率放大电路设计

功率放大电路包括电机功率驱动电路、电源瞬态抑制电路和二次电源变换电路。电机驱动电路由光耦隔离电路、组合逻辑电路、功率驱动电路、三相逆變电路和过流保护电路等五部分组成，工作原理框图如图3所示。

1.3 执行机构设计

执行机构由传动机构和位置传感器组成，实体模型如图4所示。

工作原理：在控制电路输出的控制信号作用下，经过功率放大驱动电机转动，并由传动机构减速，将电机输出的高速小力矩转动变换为系统所需的低速大力矩转动，推动执行机构运动，实现无人机舵面偏转。固联在丝杠端的位置传感器测量出转动的圈数，并反馈给控制电路。

执行机构的主要特点如下：①减速机构采用齿轮+滚珠丝杠副组合减速方式，通过丝杠螺母直接推动摇臂机构，带动舵面转动;②为满足无人机内部的空间要求，无刷直流电机与减速机构采用正交布局，通过锥齿轮传动来改变传动方向;③位置传感器采用非接触的相对型磁电式编码器，通过测量滚珠丝杠的转数来间接实现舵偏角的测量。

1.4 控制软件设计

控制软件以嵌入式DSP为硬件平台，采用模块化结构设计。

工作原理：电动舵机上电后，程序自动运行并进入主程序，在主程序中完成系统及外设初始化等工作，最后开放中断，进入循环等待状态等待定时器中断的到来。定时中断服务程序是软件的控制枢纽，通过对各功能模块的合理调配，完成整个软件的时序调度。

2 结构强度仿真

结构的一端通过销子与舵面的摇臂连接，另一端通过销子和支座安装到舵机机体上，两个销和孔的配合间隙最大为0.027mm，滚珠丝杠副的轴向间隙为0.008mm，转化到舵面的扭转间隙为4.7′。尺寸外形图如图5所示。

应力分布云图如图6所示。从图中可以看出，最大应力点出现在连接销处，最大应力为300.9MPa，材料为15-5PH不锈钢，最小许用应力为579MPa。