一种舵机及其控制系统技术方案

本申请涉及无人机技术领域，尤其涉及一种舵机及其控制系统，包括：伺服电机、丝杠、螺母、丝杠外套管、固定管、连杆传动机构和旋翼；伺服电机的输出轴与丝杠在轴向固定；丝杠与螺母螺纹配合；螺母与丝杠外套管在轴向固定，并且伺服电机的输出轴和丝杠外套管分布于螺母的两端；丝杠外套管插于固定管内，并且丝杠外套管可沿轴向往复运动；连杆传动机构的两端分别铰接于旋翼和丝杠外套管的另一端。本申请所提供的舵机及其控制系统可以避免了出现回差、振动等问题，提高了舵机运行的平稳性和随动的准确性，提高了舵机控制的精度，减小了响应滞后保证了舵机更加平稳、可靠的运行。

【技术实现步骤摘要】
一种舵机及其控制系统
本专利技术涉及无人机
，尤其涉及一种舵机及其控制系统。
技术介绍
无人机是一种以无线电遥控或自身程序控制为主的不载人飞机，随着无人机技术的迅猛发展，无人机被广泛应用于新闻、救灾、监察、安全、农业、军事等各种领域，并且对无人机性能的要求也向全天候、大负载、长航时、高速、高机动能力等方向发展，这些性能的实现均落实到了舵机控制系统的性能上。舵机是无人机的动力来源，现有的舵机是电机-齿轮组的传动模式，这种传动模式导致舵机在工作中出现回差、振动等问题，并且现有的舵机采用基本PI控制器的三闭环结构和单反馈器件的组合形式，在应用中存在对输入信息随动性能差、响应滞后、系统可靠性存在隐患等问题。因此，改善无人机舵机工作中机械传动的平稳性、控制系统的随动性能以及反馈系统的可靠性等问题，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
技术实现思路
本申请提供了一种舵机及其控制系统，以避免无人机舵机工作中出现回差、振动、随动性能、可靠性能差等问题。为解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：一种舵机，包括：伺服电机、丝杠、螺母、丝杠外套管、固定管、连杆传动机构和旋翼；所述伺服电机的输出轴与所述丝杠在轴向固定；所述丝杠与所述螺母螺纹配合；所述螺母与所述丝杠外套管在轴向固定，并且所述伺服电机的输出轴和所述丝杠外套管分布于所述螺母的两端；所述丝杠外套管插于所述固定管内，并且所述丝杠外套管可沿轴向往复运动；所述连杆传动机构的两端分别铰接于所述旋翼和所述丝杠外套管的另一端。一种舵机控制系统，控制上述舵机，包括：转动惯量观测器、速度环前馈控制器和速度环控制器，所述转动惯量观测器测试所述伺服电机的等效转动惯量，将其输入速度环前馈控制器，所述速度环前馈控制器基于速度环的频率特性、等效转动惯量确定速度调节曲线，结合调节时间确定速度前馈输入量，按参考输入角度计算出速度前馈值，将所述速度前馈值作为所述速度环控制器的部分输入值。如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，还包括：负载转矩观测器、电流环前馈控制器和电流环控制器，所述负载转矩观测器测试所述伺服电机的转矩并将其输入电流环前馈控制器，得到力矩电流补偿值，并且将所述力矩电流补偿值作为所述电流环控制器的部分输入值。如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，还包括：位置环滤波器和位置环控制器，所述位置环滤波器连通所述位置环控制器的输入侧，并且对输入所述位置环控制器的位置环的参考输入角度中的干扰信息进行滤除。如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，还包括：速度环滤波器，所述速度环滤波器连通所述速度环控制器的输出侧与所述电流环控制器的输入侧，并且对输入所述电流环控制器的电流环的给定输入量中的干扰信息进行滤除。如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，还包括：伺服电机角度和转速计算器，所述伺服电机角度和转速计算器计算所述伺服电机转子初始角度、低速运行的角度和转速、计算高速运行的角度和转速。如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，所述伺服电机角度和转速计算器计算低速运行的角度和转速，具体包括：在所述伺服电机中注入高频小幅值电压，得到αβ坐标系中高频注入信号的电压电流关系；设定电机绕组为感性负载，经简化处理，得到高频注入模型；对高频注入模型求解得到高频电流；将高频电流整理为正序电流矢量和负序电流矢量合成的形式；对电流信号经带通和同步轴系高通滤波器处理后得到负序高频电流信号，利用外差法获取转子位置误差信号；经过转子位置跟踪观测器和闭环回路的调节得到低速运行的转子角度估计值经差分计算得到低速运行的转速估计值如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，所述伺服电机角度和转速计算器计算高速运行的角度和转速，具体包括：应用伺服电机的αβ坐标系的电压模型得到电流表达式和建立可调节电流模型；伺服电机在运行过程中，根据上述模型采集并转换得到伺服电机的αβ坐标系电流值，按控制律调节上述模型中可调模型中的反电动势补偿值，直到电流的估计值与实际值相等完成调节；定义滑模面；取指数趋近率趋近于预定值，得误差调节率z；对误差调节率z进行低通滤波，与上一时刻的反电势的估计值e*合成，得到当前时刻的反电动势的估计值再进行低通滤波得到反电动势的周期更新值更新反电动势数值，开始下一个周期的计算；得到高速运行的转子角度估计值与上一时刻的角度值进行差分计算得到高速运行的转速估计值如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，根据低速运行的转子角度估计值和低速运行的转速估计值与高速运行的转子角度估计值和高速运行的转速估计值计算估计角度和估计转速为：估计角度为：估计转速为：其中，Whf和Wbemf为随转速进行切换的变化系数，是常数。如上所述的舵机控制系统，其中，优选的是，还包括：传感器，所述传感器测量所述伺服电机的测量角度，根据所述测量角度计算测量转速；将所述测量角度和所述估计角度共同作为所述位置环控制器的位置环的反馈角度θf，将所述测量转速和所述估计转速共同作为所述速度环控制器的反馈转速ωf。相对上述
技术介绍
，本申请所提供的舵机及其控制系统，包括：伺服电机、丝杠、螺母、丝杠外套管、固定管、连杆传动机构和旋翼；伺服电机的输出轴与丝杠在轴向固定；丝杠与螺母螺纹配合；螺母与丝杠外套管在轴向固定，并且伺服电机的输出轴和丝杠外套管分布于螺母的两端；丝杠外套管插于固定管内，并且丝杠外套管可沿轴向往复运动；连杆传动机构的两端分别铰接于旋翼和丝杠外套管的另一端。本申请所提供的舵机及其控制系统可以避免了出现回差、振动等问题，提高了舵机运行的平稳性和随动的准确性，提高了舵机控制的精度，减小了响应滞后保证了舵机更加平稳、可靠的运行。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本申请实施例所提供的舵机的示意图；图2是本申请实施例所提供的舵机控制系统的示意图；图3是本申请实施例所提供的舵机控制系统计算计算角度和转速示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。如图1所示，本申请实施例提供了一种舵机，包括：伺服电机1、丝杠5、螺母6、丝杠外套管7、固定管、连杆传动机构9和旋翼10；伺服电机1的输出轴3与推力轴承4和轴承2等配合件配合，并且输出轴3与丝杠5在轴向固定；丝杠5与螺母6螺纹配合；螺母6与丝杠外套管8在轴向固定，并且伺服电机1的输出轴3和丝杠外套管7分布于螺母6的两端；丝杠外套管8插于固定管内，固定管可以和机架等部件固定连接，并且丝杠外套管8可沿轴向往复运动；连杆传动机构9的两端分别铰接于旋翼10和丝杠外套管8的另一端。伺服电机1通电后通过输出轴3带动丝杠5转动，随着丝杠5的转动，与丝杠5螺纹配合的螺母6和与螺母6固定的丝杠外套管7沿着轴向往复运动，从而带动连杆传动机构9运动，进而带动旋翼10运动，由于本申请实施例中的舵机是通过伺服电机1的转动转化为丝杠外套管7往复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种舵机，其特征在于，包括：伺服电机、丝杠、螺母、丝杠外套管、固定管、连杆传动机构和旋翼；所述伺服电机的输出轴与所述丝杠在轴向固定；所述丝杠与所述螺母螺纹配合；所述螺母与所述丝杠外套管在轴向固定，并且所述伺服电机的输出轴和所述丝杠外套管分布于所述螺母的两端；所述丝杠外套管插于所述固定管内，并且所述丝杠外套管可沿轴向往复运动；所述连杆传动机构的两端分别铰接于所述旋翼和所述丝杠外套管的另一端。

【技术特征摘要】
1.一种舵机，其特征在于，包括：伺服电机、丝杠、螺母、丝杠外套管、固定管、连杆传动机构和旋翼；所述伺服电机的输出轴与所述丝杠在轴向固定；所述丝杠与所述螺母螺纹配合；所述螺母与所述丝杠外套管在轴向固定，并且所述伺服电机的输出轴和所述丝杠外套管分布于所述螺母的两端；所述丝杠外套管插于所述固定管内，并且所述丝杠外套管可沿轴向往复运动；所述连杆传动机构的两端分别铰接于所述旋翼和所述丝杠外套管的另一端。2.一种舵机控制系统，控制如权利要求1中所述的舵机，其特征在于，包括：转动惯量观测器、速度环前馈控制器和速度环控制器，所述转动惯量观测器测试所述伺服电机的等效转动惯量，将其输入速度环前馈控制器，所述速度环前馈控制器基于速度环的频率特性、等效转动惯量确定速度调节曲线，结合调节时间确定速度前馈输入量，按参考输入角度计算出速度前馈值，将所述速度前馈值作为所述速度环控制器的部分输入值。3.根据权利要求2所述的舵机控制系统，其特征在于，还包括：负载转矩观测器、电流环前馈控制器和电流环控制器，所述负载转矩观测器测试所述伺服电机的转矩并将其输入电流环前馈控制器，得到力矩电流前馈值，并且将所述力矩电流前馈值作为所述电流环控制器的部分输入值。4.根据权利要求3所述的舵机控制系统，其特征在于，还包括：位置环滤波器和位置环控制器，所述位置环滤波器连通所述位置环控制器的输入侧，并且对输入所述位置环控制器的位置环的参考输入角度中的干扰信息进行滤除。5.根据权利要求4所述的舵机控制系统，其特征在于，还包括：速度环滤波器，所述速度环滤波器连通所述速度环控制器的输出侧与所述电流环控制器的输入侧，并且对输入所述电流环控制器的电流环的给定输入量中的干扰信息进行滤除。6.根据权利要求2-5所述的舵机控制系统，其特征在于，还包括：伺服电机角度和转速计算器，所述伺服电机角度和转速计算器计算所述伺服电机转子初始角度、计算低速运行的角度和转速、计算高速运行的角度和转速。7.根据权利要求6所述的舵机控制系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：田刚印，范欣林，王志宇，聂梦清，陈盟，
申请(专利权)人：北京中航智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11