[發明專利]一種直驅式高效低噪電動舵機及其控制系統和控制方法

在審

• 申請號: 202210093685.3
• 申請日: 2022-01-26
• 公開（公告）號: CN114715372A
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 柏龍;陳浩;陳曉紅;孫園喜
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: B63H25/26
• 分類號: B63H25/26;B63G8/00;B63G8/20;B63C11/52;H02K7/10;H02K11/33;H02K11/21;H02P23/14
• 代理公司: 深圳泛航知識產權代理事務所(普通合伙) 44867
• 代理人: 鄧愛軍

本發明公開了一種直驅式高效低噪電動舵機及其控制系統和方法，其中舵機包括殼體、一體化行星滾柱絲杠驅動裝置、倒置曲柄滑塊機構和動力輸出軸；其中控制系統包括指令發送模塊、控制器計算模塊、直驅電機控制器、直驅電機驅動器、誤差補償模塊和角度傳感器。本發明的舵機解決現有的舵機因存在效率低、體積大、噪音大、發熱、難以滿足我國水下航行器的精確控制要求等問題，具有低質量、高效率、噪音小、壽命長的優點；其控制系統和方法通過外部傳感器檢測角度等參數進行反饋，同時針對誤差進行補償，大大提高舵機角度輸出精度，具有重要的應用價值與意義。

技術領域

本發明屬于水下航行器技術領域，具體涉及一種直驅式高效低噪電動舵機及其控制系統和控制方法。

背景技術

應用于水下航行器的電動舵機系統是一種高精度的位置伺服系統，通過控制舵機輸出端轉角，實現舵面的翻轉，多個舵面共同作用下，從而實現水下航行器的姿態調整。由于水下環境為非線性時變系統，除舵機本身結構需求外，一種精度高、穩定性強、可靠性強的控制方法是水下航行器航行穩定、精準的關鍵所在。針對水下航行器“聲隱身”、傳動效率高、運行噪聲低等需求，采用一種包含行星滾柱絲杠傳動方式的直驅電動舵機，可有效解決因齒輪等傳動鏈產生的噪音大和能量耗散問題，而作為舵機驅動的一體式行星滾柱電機，采用一種穩定可靠的控制系統，是水下航行器運動可靠且穩定準確的關鍵。

因此，需要一種直驅式的電動舵機，以及針對直驅電動舵機的控制系統及方法，以實現直驅電動舵機的高精度角度輸出及可靠的系統控制。

發明內容

本發明的目的針對采用基于直驅的電動舵機，提出了一種穩定可靠、高精度的控制系統和控制方法，通過外部傳感器檢測角度等參數進行反饋，同時針對誤差進行補償，大大提高舵機角度輸出精度，具有重要的應用價值與意義。

本發明的直驅式高效低噪電動舵機，包括殼體、一體化行星滾柱絲杠驅動裝置、倒置曲柄滑塊機構和動力輸出軸；所述一體化行星滾柱絲杠驅動裝置的行星滾柱螺母作為倒置曲柄滑塊機構的滑塊，倒置曲柄滑塊機構的搖臂連接于動力輸出軸以驅動該動力輸出軸轉動；所述一體化行星滾柱絲杠驅動裝置包括定子、行星滾柱絲杠、驅動保護殼和行星滾柱螺母；所述定子固定安裝于驅動保護殼內；所述行星滾柱絲杠包括轉子段、過渡段和絲杠段；所述轉子段伸入驅動保護殼內與定子配合；所述絲杠段與行星滾柱螺母配合形成行星滾柱傳動。所述行星滾柱絲杠的轉子段通過軸承支承于驅動保護殼內，且轉子段的端面與軸承端面之間設有用于對轉子段進行軸向限位的墊片。所述倒置曲柄滑塊機構包括連桿和搖臂；所述連桿鉸接于行星滾柱螺母和搖臂之間；所述搖臂通過花鍵連接于動力輸出軸。所述連桿為兩根且分設在行星滾柱螺母上下兩側，所述搖臂的一端為叉形結構并通過兩分叉分別與兩連桿鉸接。所述驅動保護殼內端面安裝有編碼器以獲取轉子的轉角。所述動力輸出軸上方設有用于獲取其轉角的角位移電位器。

本發明的一種直驅式高效低噪電動舵機的控制系統，包括：

指令發送模塊，其用于發送電動舵機輸出軸指定的輸出角度位置信息；

控制器計算模塊，其用于根據傳動系統確定出的數學模型，計算一體化行星滾柱絲杠驅動裝置所需的驅動量；

直驅電機控制器和直驅電機驅動器，所述直驅電機控制器用于接收所述控制器計算模塊發出的驅動量，并將電機驅動信號發送至直驅電機驅動器以控制一體化行星滾柱絲杠驅動裝置的轉子轉動；

誤差補償模塊，其用于當所述控制器計算模塊輸出驅動信息時，將編碼器返回的轉子角度信息與輸出軸角度信息同理論值進行比對，并對偏差進行補償；

角度傳感器，其用于檢測電動舵機輸出軸的旋轉角度值，并將該旋轉角度值與指令發送模塊發出位置信息相結合形成負反饋鏈。

本發明公開的一種直驅式高效低噪電動舵機的控制方法，包括以下步驟：

s1.根據航行任務需求，指令發送模塊人為或自動發出電動舵機輸出軸希望達到的設定角度位置信息；