一种外转子永磁同步电机直驱的电动舵机系统技术方案

本发明专利技术涉及一种外转子永磁同步电机直驱的电动舵机系统，包括控制板组件和四路传动机构；控制板组件，用于分别控制四路传动机构输出力矩，带动四个独立的受控舵面转动；四路传动机构的结构相同；每路传动机构，用于通过永磁同步电机直驱受控舵面；以及，用于采集永磁电机转轴和受控舵面转轴的转动角度，并反馈至所述控制板组件；控制板组件，还用于将受控舵面转轴的转动角度转换为对应的角位移信息和角速度信息，将永磁电机转轴的转动角度转换为对应电机的驱动电流信息，对永磁同步电机进行位置、速度、电流三环闭环控制。本发明专利技术有效控制了电路的规模，减低了成本，采用分散化设计架构，满足了舵机紧凑化、轻质化的需求。轻质化的需求。轻质化的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种外转子永磁同步电机直驱的电动舵机系统


[0001]本专利技术涉及舵机
，尤其是一种外转子永磁同步电机直驱的电动舵机系统。

技术介绍

[0002]舵机伺服驱动系统作为飞机、导弹等飞行姿态控系统的执行部件，是典型的位置伺服系统。电动舵机为机电一体化部件，其电气部分包括主功率电路、控制电路和辅助源电路，机械部分由电机、联轴器、减速器、舵面负载模拟器组成。近年来随着航空航天技术的飞速发展，促使导弹舵机向着小型化、轻质化、低成本、高精度、高响应的方向大幅度的迈进，这就进一步加速了电动舵机在飞航导弹中的应用。
[0003]目前，许多电动舵机以无刷直流电机(BLDC)作为动力来源，但是无刷直流电机转矩脉动较大，需要减速器对无刷直流电机输出进行减速，这造成了复杂的结构设计，高难度的转配工作，限制了使其在伺服系统中的应用。

技术实现思路

[0004]鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种外转子永磁同步电机直驱的电动舵机系统；解决直流电机作为电动舵机动力来源带来的问题。
[0005]本专利技术公开了一种外转子永磁同步电机直驱的电动舵机系统，包括控制板组件和四路传动机构；
[0006]所述控制板组件，用于分别控制四路传动机构输出力矩，带动四个独立的受控舵面转动；
[0007]所述四路传动机构的结构相同；每路传动机构，用于通过永磁同步电机直驱受控舵面；以及，用于采集永磁电机转轴和受控舵面转轴的转动角度，并反馈至所述控制板组件；
[0008]所述控制板组件，还用于将受控舵面转轴的转动角度转换为对应的角位移信息和角速度信息，将永磁电机转轴的转动角度转换为对应电机的驱动电流信息，对永磁同步电机进行位置、速度、电流三环闭环控制。
[0009]进一步地，每路传动机构包括永磁同步电机、丝杠、滚珠机构、拨叉、拨叉柱和套筒；
[0010]永磁同步电机为外转子扁平式永磁同步电机；永磁同步电机的定子及绕组固定在电机安装架的上固定盖板上；电机外转子及磁钢位于电机定子及绕组外部，与电机定子和绕组同轴；
[0011]所述丝杠固定在磁钢上，与电机外转子同轴；所述丝杠外部套接滚珠机构，所述滚珠机构上固定拨叉，拨叉的指向与丝杠的径向垂直；
[0012]电机外转子及磁钢带动丝杠转动，滚珠机构将丝杠的转动转换为直线移动，使拨叉沿丝杠的径向直线移动；
[0013]所述套筒与受控舵面转轴刚性连接，所述拨叉柱设置于套筒上；拨叉柱与拨叉配合，将拨叉的直线移动的力矩转换为转动力矩，带动舵面沿舵面转轴转动。
[0014]进一步地，所述每路传动机构还包括与丝杠平行的拨叉导轨，所述拨叉导轨与拨叉连接，限定拨叉的移动方向与丝杠平行。
[0015]进一步地，每路传动机构还包括角度测量组件，采用无接触式磁电传方式分别测量永磁电机转轴和受控舵面转轴的转动角度。
[0016]进一步地，角度测量组件包括第一角位移传感器和第二角位移传感器；
[0017]所述第一角位移传感器的第一磁编码器设置于接近磁钢的位置，用于采集电机转动时磁钢的磁场变化，测量电机转轴的转动角度；
[0018]所述第二角位移传感器包括磁条和第二磁编码器；所述磁条成半圆环布置于套筒的外沿，所述第二磁编码器设置于接近磁条的位置，用于采集受控舵面转动时与舵面转轴一同转动的所述磁条的磁场变化，测量受控舵面转轴的转动角度。
[0019]进一步地，所述磁条为多极磁栅，包括多个磁极的磁铁，所述第二磁编码器为多极磁编码器；所述第二磁编码器对多极磁栅的每个磁极的测量得到12位精度的位置数据。
[0020]进一步地，所述控制板组件包括一块主控板和四块驱动板；
[0021]所述主控板与四块驱动板分别连接；用于进行中断管理，指令数据管理，角位移传感器算法运算，舵机遥测数据的上传，执行舵机故障项实时监测及保护措施；
[0022]每块驱动板与每路传动机构的永磁同步电机对应，用于采集磁编码器数据、接收主控板的控制量数据，判断永磁同步电机的电气角度，对电机进行驱动和转动控制。
[0023]进一步地，所述主控板的控制器核心为TMS320C28346，搭载rts2800fpu32fast_supplement.lib库；外设XINTF配合低电压1553B芯片BU64843，用于进行舵机整机对外的高速串行通讯；外设CAN配合通讯芯片SN65HVD230，用于与驱动板进行舵面角度指令的发送、舵面机械角度和舵面力矩负载的反馈接收；外设SCI配合通讯芯片ADM2587E，用于舵机数据的遥测隔离信号传输；外设SPI配合数字温度传感器芯片ADT7320，实现电气执行效率的温度补偿。
[0024]进一步地，所述驱动板集成式一体化电机驱动器的处理器STM32F401；外设CAN配合通讯芯片SN65HVD230，用于与主控板进行舵面角度指令的接收、舵机旋转机械角度和舵面力矩负载的反馈发送；外设SPI配合第一磁编码器AS5048A进行单极磁编码器的角度信息采集，用于识别电机转子的电气角度，配合第二磁编码器AS5311进行多极磁编码器的角度信息采集，采集舵面转轴的转动角度；外设PWM配合DRV8313半H桥功率芯片，用于进行电机的功率放大。外设SPI配合模数转换芯片AD7124-4采集电阻式的温度和压力传感器；地址拨码开关采用GPIO管脚的上下拉，用以区分四个电机的独特的识别ID。
[0025]进一步地，所述驱动板执行电机的FOC控制算法：采集电机的电气角度数据、接收控制量数据，进行Clark正/逆变换、Park正/逆变换、PI控制器、SVPWM信号生成。
[0026]本专利技术的有益效果如下：
[0027]本专利技术利用永磁同步电机作为舵机动力来源，凸显了其功率因数高、转矩/重量比高、易于散热、便于维护保养的优势。
[0028]采用无接触式磁电传感器：相比传统的电位计方式，省去了运放、模数转换器以及正负直流电源，避免了接触式传感器的磨损；相比传统的旋转变压器省去了交流激励电源、
RDC转换芯片、正负直流电源以及复杂正余弦输出信号接线关系，有效控制了电路的规模，提高了可靠性，减低了成本。
[0029]采用电机的功率驱动的分散化设计架构，由ARM实现永磁同步电机的FOC控制算法，控制器DSP负责舵面的PID控制算法，不同处理器的协助工作分担了对方的计算负担，满足了舵机紧凑化、轻质化的需求。
附图说明
[0030]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0031]图1为本实施例中的每路传动机构的结构图；
[0032]图2为本实施例中的电动舵机系统的内部结构详细剖视图；
[0033]图3为本实施例中的电动舵机系统结构俯视示意图；
[0034]图4为本实施例中的电动舵机系统结构侧视示意图；
[0035]图5为本实施例中的多极磁编码器角度转换示意图；
[0036]图6为本实施例中的电动舵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外转子永磁同步电机直驱的电动舵机系统，其特征在于：包括控制板组件和四路传动机构；所述控制板组件，用于分别控制四路传动机构输出力矩，带动四个独立的受控舵面转动；所述四路传动机构的结构相同；每路传动机构，用于通过永磁同步电机直驱受控舵面；以及，用于采集永磁电机转轴和受控舵面转轴的转动角度，并反馈至所述控制板组件；所述控制板组件，还用于将受控舵面转轴的转动角度转换为对应的角位移信息和角速度信息，将永磁电机转轴的转动角度转换为对应电机的驱动电流信息，对永磁同步电机进行位置、速度、电流三环闭环控制。2.根据权利要求1所述的电动舵机系统，其特征在于，每路传动机构包括永磁同步电机、丝杠、滚珠机构、拨叉、拨叉柱和套筒；永磁同步电机为外转子扁平式永磁同步电机；永磁同步电机的定子及绕组固定在电机安装架的上固定盖板上；电机外转子及磁钢位于电机定子及绕组外部，与电机定子和绕组同轴；所述丝杠固定在磁钢上，与电机外转子同轴；所述丝杠外部套接滚珠机构，所述滚珠机构上固定拨叉，拨叉的指向与丝杠的径向垂直；电机外转子及磁钢带动丝杠转动，滚珠机构将丝杠的转动转换为直线移动，使拨叉沿丝杠的径向直线移动；所述套筒与受控舵面转轴刚性连接，所述拨叉柱设置于套筒上；拨叉柱与拨叉配合，将拨叉的直线移动的力矩转换为转动力矩，带动舵面沿舵面转轴转动。3.根据权利要求2所述的电动舵机系统，其特征在于，所述每路传动机构还包括与丝杠平行的拨叉导轨，所述拨叉导轨与拨叉连接，限定拨叉的移动方向与丝杠平行。4.根据权利要求2所述的电动舵机系统，其特征在于，每路传动机构还包括角度测量组件，采用无接触式磁电传方式分别测量永磁电机转轴和受控舵面转轴的转动角度。5.根据权利要求4所述的电动舵机系统，其特征在于，角度测量组件包括第一角位移传感器和第二角位移传感器；所述第一角位移传感器的第一磁编码器设置于接近磁钢的位置，用于采集电机转动时磁钢的磁场变化，测量电机转轴的转动角度；所述第二角位移传感器包括磁条和第二磁编码器；所述磁条成半圆环布置于套筒的外沿，所述第二磁编码器设置于接近磁条的位置，用于采集受控舵面转动时与舵面转轴一同转动的所述磁条的磁场变化，测量受控舵面转轴的转动角度。6.根据权利要求5所述的电动舵机系统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：马一通，余东东，秦文渊，魏厚震，马俊，
申请(专利权)人：北京机械设备研究所，
类型：发明
国别省市：