一种弹上智能振动控制电动舵机及控制方法与流程

1.本发明涉及弹上电动舵机控制技术领域，尤其涉及一种弹上智能振动控制电动舵机及控制方法。


背景技术：

2.随着弹上电动舵机输出功率的增加，弹上舵机的主要构件体积增大、刚度大幅下降，同时，为降低发射成本，弹上舵机需要实现轻量化设计，这导致弹上舵机对振动环境越来越敏感，甚至已经产生较严重的危害。并且，在导弹飞行时的各个阶段，比如发动机点火时刻、助推发动机分离时刻、导弹姿态调整等过程中，弹上电动舵机所处的振动环境会发生较大改变，对舵机的性能产生重大影响，甚至超出承受范围导致功能失效。
3.目前，传统弹上电动舵机是根据地面无振动环境时的动响应特性设计，使得弹上舵机的环境适应性很差，会由于导弹不同飞行振动环境出现颤振问题，对弹上舵机的可靠性带来极大的考验。因此，亟需一种弹上电动舵机，解决现有的弹上电动舵机难以根据导弹振动环境的变化实时调整频率，容易出现颤振现象导致可靠性较低的问题。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种弹上智能振动控制电动舵机及控制方法，用以解决现有弹上电动舵机难以根据导弹振动环境的变化实时调整频率频率，容易出现颤振现象导致可靠性较低的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种弹上智能振动控制电动舵机，包括控制器组件和多个执行机构组件；所述执行机构组件包括：电机驱动器、电机、减速齿轮副、滚珠丝杠副、轴套副、位置传感器、压电元件和压电驱动器；其中，滚珠丝杠副上固定有传动销；
6.所述电机驱动器用于驱动电机，电机驱动减速齿轮副旋转，继而驱动固定在滚珠丝杠副上的传动销在轴套副内滑动，带动轴套副旋转；其中，所述位置传感器用于采集轴套副的位置信息；
7.所述压电驱动器用于向压电元件施加驱动电压，压电元件输出相应驱动力或驱动位移用于调整弹上舵机的频率状态；所述压电元件还用于采集弹上舵机的加速度信号；
8.所述控制器组件用于根据接收的位置信息和舵偏控制指令生成控制电机驱动器的电机控制信号；以及用于根据所述加速度信号生成控制压电驱动器的振动控制信号。
9.进一步地，所述执行机构组件还包括主框架；所述减速齿轮副包括电机齿轮、二级传动齿轮、丝杠齿轮和第一深沟球轴承；所述滚珠丝杠副包括丝杠螺母、丝杠螺杆、传动销和角接触轴承；轴套副包括轴套、第二深沟球轴承；
10.电机与主框架螺纹连接；减速齿轮副的电机齿轮通过销钉固定在电机轴上；减速齿轮副的二级传动齿轮与电机齿轮啮合，并通过第一深沟球轴承固定在主框架上；减速齿轮副的丝杠齿轮与二级传动齿轮啮合；滚珠丝杠副的丝杠螺杆的一端固定在丝杠齿轮上；滚珠丝杠副的丝杠螺杆通过角接触轴承安装在主框架上；滚珠丝杠副的丝杠螺母与传动销
螺纹连接；传动销的两个凸出圆轴安装在轴套副的轴套拨叉口内，并且轴套副的轴套通过第二深沟球轴承安装在主框架上；电机驱动器与主框架螺纹连接；位置传感器通过齿轮和轴套连接；所述位置传感器和电机驱动器通过电连接器与控制器组件连接。
11.进一步地，所述压电元件粘贴在滚珠丝杠副的一端，并分别与压电驱动器和控制器组件电连接；所述压电驱动器与主框架螺纹连接，并通过电连接器与控制器组件连接。
12.进一步地，所述压电元件包括压电传感器和压电作动器，所述压电传感器与所述控制器组件连接，所述压电作动器与所述压电驱动器连接；
13.所述压电传感器，用于采集弹上舵机的加速度信号；
14.所述压电作动器，用于根据施加的驱动电压，输出相应驱动力或驱动位移。
15.进一步地，控制器组件包括控制器盒、控制板和电源板；所述控制板和电源板设置在控制器盒内部，所述控制板通过电连接器与执行机构组件连接。
16.进一步地，所述执行机构组件数量为4；分别用于驱动导弹的四个舵面，进而控制导弹的飞行方向。
17.进一步地，所述控制器用于根据所述加速度信号生成控制压电驱动器的振动控制信号，包括以下步骤：
18.将接收的加速度信号进行过滤、放大和模数转换得到数字信号；
19.将所述数字信号进行傅里叶变换得到舵机频率信号；
20.根据自适应滤波控制算法和舵机频率信号生成振动控制信号。
21.进一步地，根据自适应滤波控制算法和舵机频率信号生成振动控制信号，包括以下步骤：
22.s1、设置滤波器权系数向量w(t)的初始值，振动控制信号u(t)的初始值为0，其中，滤波器为fir横向滤波器，滤波器抽头数为m，各抽头的权值为w0～w
m
‑1；
23.s2、将t时刻的舵机频率信号z(t)作为滤波器的输入信号，则得到滤波器的输出信号y(t)为：
24.y(t)＝w
t
(t)
×
z(t)；
25.式中，w＝[w0,w1,
…
,w
m
‑1]
t
；
[0026]
s3、基于滤波器的输出信号得到误差信号e(t)：
[0027]
e(t)＝d
‑
y(t)；
[0028]
式中，d表示期望信号。
[0029]
s4、若e(t)>0，则t 1时刻的振动控制信号采用下式更新：
[0030]
u(t 1)＝u(t) λe(t)；
[0031]
否则，采用下式更新：
[0032]
u(t 1)＝u(t)
‑
λe(t)；
[0033]
式中，λ表示调整系数；
[0034]
s5、t 1时刻的滤波器系数向量采用下式更新：
[0035]
w(t 1)＝w(t)
‑2×
μ
×
e(t)
×
z(t)；
[0036]
式中，μ表示自适应收敛因子；
[0037]
s6、反复执行步骤s2到s5，直至步骤s3中的误差信号e(t)的均方根达到控制要求。
[0038]
进一步地，所述控制器根据接收的位置信息和导弹信息处理器发送的舵偏控制指
令采用pid控制算法生成舵机旋转指令。
[0039]
另一方面，本发明实施例还提供了一种弹上电动舵机智能振动控制方法，包括：
[0040]
通过压电元件实时采集弹上电动舵机的加速度信号，将所述加速度信号进行处理转换为舵机频率信号；
[0041]
根据舵机频率信号生成控制压电驱动器的振动控制信号；
[0042]
根据振动控制信号所述压电驱动器向压电元件施加驱动电压，进而压电元件输出相应驱动力或驱动位移实时调整弹上电动舵机的频率状态。
[0043]
与现有技术相比，本发明可实现如下有益效果：
[0044]
本发明提供的一种弹上智能振动控制电动舵机及控制方法，通过在弹上电动舵机上设置压电元件、压电驱动器以及控制器中的控制算法，实现根据弹上电动舵机振动频率实时调整弹上电动舵机频率，从而达到舵机振动状态的实时调整，避免导弹在飞行过程中由于振动环境的变化而导致电动舵机出现颤振的问题，增强弹上电动舵机对环境的适应性，提高了弹上电动舵机的可靠性。此外，本发明中将压电元件粘贴在滚珠丝杠副的一端，构成压电元件经过滚珠丝杠副连接传动销再连接轴套拨叉的传动系统，实现对电动舵机的实时调整，结构简单、容易实现、结构紧凑，极大的降低了安装空间，更适用于弹上电动舵机。
[0045]
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0046]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0047]
图1为本发明实施例1提供的弹上智能振动控制电动舵机的结构示意图；
[0048]
图2为本发明实施例1提供的执行机构组件的内部结构示意图；
[0049]
图3为本发明实施例1提供的执行机构组件的右视剖面图；
[0050]
图4为本发明实施例1提供的执行机构组件的仰视剖面图；
[0051]
图5为本发明实施例1提供的控制器组件的内部结构示意图；
[0052]
图6为本发明实施例1提供的弹上智能振动控制电动舵机的原理图；
[0053]
图7为本发明实施例1提供的自适应滤波控制算法的流程示意图；
[0054]
图8为本发明实施例1提供的弹上电动舵机智能振动控制方法流程图；
[0055]
附图标记：
[0056]1‑
电机；2
‑
减速齿轮副；3
‑
滚珠丝杠副；4
‑
压电元件；5
‑
轴套副；6
‑
主框架；7
‑
位置传感器；8
‑
电机驱动器；9
‑
压电驱动器；10
‑
电连接器；11
‑
电连接器；12
‑
电机齿轮；13
‑
二级传动齿轮14
‑
丝杠齿轮；15
‑
丝杠螺母；16
‑
丝杠螺杆；17
‑
传动销；18
‑
角接触轴承；19
‑
轴套；20
‑
第二深沟球轴承；21
‑
第一深沟球轴承；22
‑
拨叉；23
‑
控制器盒；24
‑
控制板；25
‑
电源板；26
‑
电连接器；27
‑
电连接器。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0058]
实施例1
[0059]
本发明的一个具体实施例，公开了一种弹上智能振动控制电动舵机，结构示意图如图1所示，原理图如图6所示，包括控制器组件和多个执行机构组件；执行机构组件的内部结构、右视剖面和仰视剖面示意图如图2
‑
4所示，所述执行机构组件包括：电机驱动器8、电机1、减速齿轮副2、滚珠丝杠副3、轴套副5、位置传感器7、压电元件4和压电驱动器9；其中，滚珠丝杠副3上固定有传动销17；。具体地，电机1为无刷直流电动机。
[0060]
所述电机驱动器8用于驱动电机1，电机1驱动减速齿轮副2旋转，继而驱动固定在滚珠丝杠副3上的传动销17在轴套副5内滑动，带动轴套副5旋转；其中，所述位置传感器7用于采集轴套副5的位置信息。
[0061]
所述压电驱动器9用于向压电元件4施加驱动电压，压电元件4输出相应驱动力或驱动位移用于调整弹上舵机的频率状态；所述压电元件4还用于采集弹上舵机的加速度信号。
[0062]
所述控制器组件用于根据接收的位置信息和舵偏控制指令生成控制电机驱动器8的电机控制信号；以及用于根据所述加速度信号生成控制压电驱动器9的振动控制信号。可以理解的是，舵偏控制指令由导弹信息处理器生成并发送至控制器组件。
[0063]
实施时，所述执行机构组件还包括主框架6和电连接器；所述减速齿轮副2包括电机齿轮12、二级传动齿轮13、丝杠齿轮14和第一深沟球轴承21；所述滚珠丝杠副3包括丝杠螺母15、丝杠螺杆16、传动销17和角接触轴承18；轴套副5包括轴套19、第二深沟球轴承20。
[0064]
电机1与主框架6螺纹连接；减速齿轮副2的电机齿轮12通过销钉固定在电机轴上；减速齿轮副2的二级传动齿轮13与电机齿轮12啮合，并通过第一深沟球轴21承固定在主框架6上；减速齿轮副2的丝杠齿轮14与二级传动齿轮13啮合；滚珠丝杠副3的丝杠螺杆16的一端固定在丝杠齿轮14上；滚珠丝杠副3的丝杠螺杆16通过角接触轴承18安装在主框架6上；滚珠丝杠副3的丝杠螺母15与传动销17螺纹连接；传动销17的两个凸出圆轴安装在轴套副5的轴套拨叉22口内，并且轴套副5的轴套19通过第二深沟球轴承20安装在主框架6上；电机驱动器8与主框架6螺纹连接；位置传感器7通过齿轮和轴套19连接；所述位置传感器7和电机驱动器8通过电连接器11与控制器组件连接。其中，执行机构组件通过电连接器10与弹上电池连接，实现电机和压电元件供电；电连接器10和电连接器11通过螺纹连接在主框架上。
[0065]
工作时，电机1的输出动力经减速齿轮副2减速后，带动滚珠丝杠副3的丝杠螺杆16转动，丝杠螺杆16驱动固定在滚珠丝杠副3丝杠螺母15上的传动销17上下直线运动，传动销17通过拨动轴套拨叉22旋转，将电机1的输出动力转换为执行机构的旋转输出。
[0066]
实施时，所述压电元件4粘贴在滚珠丝杠副3的一端，并分别与压电驱动器9和控制器组件电连接；所述压电驱动器9与主框架6螺纹连接，并通过电连接器11与控制器组件连接。
[0067]
具体地，所述压电元件4包括压电传感器和压电作动器，所述压电传感器与所述控制器组件连接，所述压电作动器与所述压电驱动器9连接。
[0068]
所述压电传感器，用于采集弹上舵机的加速度信号。
[0069]
所述压电作动器，用于根据施加的驱动电压，输出相应驱动力或驱动位移。
[0070]
可以理解的，压电元件在产生应变式变形时将产生电荷，电荷量和变形成正比，电荷的极性和压缩或拉伸有关，在压电元件材料的弹性范围之内，压电特性与压电元件材料所受到的力之间呈线性关系，因此，将压电元件用作弹上舵机振动控制执行机构，实现对舵机振动状态的调整。
[0071]
工作时，压电传感器采集弹上舵机的加速度信号，控制器组件对加速度信号进行处理，并生成振动控制信号给压电驱动器9，压电驱动器9向压电作动器施加驱动电压，压电作动器输出相应驱动力或驱动位移，从而通过滚珠丝杠副3带动传动销17，进而带动轴套拨叉22，实现对弹上电动舵机振动状态的实时调整。
[0072]
实施时，控制器组件的内部结构示意图如图5所示，控制器组件包括控制器盒23、控制板24和电源板25；所述控制板24和电源板25设置在控制器盒23内部，所述控制板24通过电连接器26与执行机构组件连接。可以理解的，控制板24用于完成弹上信息处理器指令处理并根据位置信息生成电机控制信号、压电元件4采集的加速度信号处理并生成压电驱动器9的振动控制信号；电源板25用于将弹上电池电压转换后给执行机构组件和控制板24供电。具体地，控制板24上设置有485处理芯片和dsp信号处理芯片；电源板25上设置有dc/dc电源转换器。
[0073]
具体地，控制器组件包括与弹上信息处理器通信及供电接口(电连接器27)，与舵机执行机构的pwm和gpio接口(电连接器26)、位置传感器7接口(电连接器26)及与压电元件4的通讯接口(电连接器26)。
[0074]
更具体地，弹上信息处理器输出的指令在控制板上经过rs485驱动、光耦隔离和驱动之后传入485处理芯片进行处理，经处理后将控制信号传入dsp信号处理芯片；dsp信号处理芯片接收485处理芯片的信号和位置传感器的位置信息通过控制算法生成控制指令发送至电机驱动器，控制指令包括控制旋转速度的pwm信号和控制旋转位置的dir方向信号；dsp信号处理芯片接收压电元件的加速度信号，将其过滤、放大和a/d转换成适用于dsp信号处理芯片处理的数字信号，dsp信号处理芯片采用傅里叶变换等方法辨识出信号的频率信息，然后经过自适应滤波控制算法转换为控制信号传递给压电驱动器，压电驱动器将控制信号进行d/a转换、平滑滤波和功率放大后给压电元件发送驱动电压信号，压电元件输出相应的驱动力或驱动位移实时改变舵机的频率。
[0075]
工作时，控制器组件接收弹上信息处理器的舵偏控制指令和位置传感器7的轴套位置信息，通过pid控制算法生成控制电机驱动器8的电机控制指令，用于控制电机1的旋转速度和位置，进而控制执行机构组件的偏转。同时，控制器组件将接收到的执行机构组件中通过压电元件4采集的加速度信号，通过将加速度信号进行处理后得到舵机振动频率信号，然后经过自适应滤波控制算法得到振动控制信号，进而控制执行机构的压电驱动器9，实现对弹上电动舵机振动状态的实时调整。
[0076]
应当注意的是，通过压电元件4采集加速度信号是实时进行的，在导弹的振动环境发生变化时，加速度信号变化，控制器组件根据自适应滤波控制算法实时进行调整，对环境变化的适应性更强，可靠性更高。
[0077]
实施时，所述执行机构组件数量为4；分别用于驱动导弹的四个舵面，进而控制导弹的飞行方向。
[0078]
实施时，所述控制器用于根据所述加速度信号生成控制压电驱动器9的振动控制信号，包括以下步骤：
[0079]
将接收的加速度信号进行过滤、放大和模数转换得到数字信号；
[0080]
将所述数字信号进行傅里叶变换得到舵机频率信号；
[0081]
根据自适应滤波控制算法和舵机频率信号生成振动控制信号。
[0082]
具体地，如图7所示，根据自适应滤波控制算法和舵机频率信号生成振动控制信号，包括以下步骤：
[0083]
s1、设置滤波器权系数向量w(t)的初始值，振动控制信号u(t)的初始值为0，其中，滤波器为fir横向滤波器，滤波器抽头数为m，各抽头的权值为w0～w
m
‑1；其中，滤波器系数向量的初始值可根据经验设置，也可设置为0。
[0084]
s2、将t时刻的舵机频率信号z(t)作为滤波器的输入信号，则得到滤波器的输出信号y(t)为：
[0085]
y(t)＝w
t
(t)
×
z(t)；
[0086]
式中，w＝[w0,w1,
…
,w
m
‑1]
t
。
[0087]
s3、基于滤波器的输出信号得到误差信号e(t)：
[0088]
e(t)＝d
‑
y(t)；
[0089]
式中，d表示期望信号。具体地，期望信号为舵机系统频率的目标值，可根据实际应用进行设定。
[0090]
s4、若e(t)>0，则t 1时刻的振动控制信号采用下式更新：
[0091]
u(t 1)＝u(t) λe(t)；
[0092]
否则，采用下式更新：
[0093]
u(t 1)＝u(t)
‑
λe(t)；
[0094]
式中，λ表示调整系数；具体的，调整系数为经验值，可根据舵机系统实际情况设定。
[0095]
s5、t 1时刻的滤波器系数向量采用下式更新：
[0096]
w(t 1)＝w(t)
‑2×
μ
×
e(t)
×
z(t)；
[0097]
式中，μ表示自适应收敛因子；具体地，μ可取0.005、0.01或0.02。
[0098]
s6、反复执行步骤s2到s5，直至步骤s3中的误差信号e(t)的均方根达到控制要求。应当注意的是，误差信号的均方根越接近0，控制效果越好，可根据实际需求设定范围阈值。
[0099]
实施时，所述控制器根据接收的位置信息和导弹信息处理器发送的舵偏控制指令采用pid控制算法生成舵机旋转指令。
[0100]
与现有技术相比，本发明可实现如下有益效果：
[0101]
本发明提供的一种弹上智能振动控制电动舵机及控制方法，通过在弹上电动舵机上设置压电元件、压电驱动器以及控制器中的控制算法，实现根据弹上电动舵机振动频率实时调整弹上电动舵机频率，从而达到舵机振动状态的实时调整，避免导弹在飞行过程中由于振动环境的变化而导致电动舵机出现颤振的问题，增强弹上电动舵机对环境的适应性，提高了弹上电动舵机的可靠性。此外，本发明中将压电元件粘贴在滚珠丝杠副的一端，构成压电元件经过滚珠丝杠副连接传动销再连接轴套拨叉的传动系统，实现对电动舵机的实时调整，结构简单、容易实现，极大的降低了安装空间，更适用于弹上电动舵机。
[0102]
实施例2
[0103]
本发明的另一个具体实施例，公开了一种弹上电动舵机智能振动控制方法，流程图如图8所示，采用实施例1中的弹上电动舵机进行智能振动控制，具体为：
[0104]
通过压电元件实时采集弹上电动舵机的加速度信号，将所述加速度信号进行处理转换为舵机频率信号；
[0105]
根据舵机频率信号生成控制压电驱动器的振动控制信号；
[0106]
根据振动控制信号所述压电驱动器向压电元件施加驱动电压，进而压电元件输出相应驱动力或驱动位移实时调整弹上电动舵机的频率状态，从而实现对舵机振动状态的实时调整。
[0107]
需要说明的是，由于本实施例弹上电动舵机智能振动控制方法与前述弹上电动舵机相关之处可相互借鉴，此处为重复描述，故这里不再赘述。由于本方法实施例与上述弹上电动舵机实施例原理相同，所以本方法也具有上述电动舵机实施例相应的技术效果。
[0108]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0109]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。