第五章執(zhí)行機構及其應用

《無人機控制系統(tǒng)》第五章執(zhí)行機構及其應用講授人：奚伯齊E-mail：uavcontrol@5.1執(zhí)行機構概述5.2空氣舵控制裝置5.3推力矢量控制裝置5.4直接力控制裝置5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.6思考題主要內容5.1.1執(zhí)行機構的組成與分類5.1執(zhí)行機構概述一般情況下，作用在飛行器上的力包括發(fā)動機推力、空氣動力和重力。飛行器的控制力是推力和空氣動力的合力。執(zhí)行機構是控制力的實現(xiàn)裝置，由操縱機構和伺服系統(tǒng)組成。（1）操縱機構空氣舵控制裝置——控制舵面偏轉改變作用在飛行器上的空氣動力

推力矢量控制裝置——改變發(fā)動機推力的大小和方向

直接力控制裝置——直接產生一個新的控制力作用在飛行器上（2）伺服系統(tǒng)電動伺服系統(tǒng)——交流或直流電動機

氣動伺服系統(tǒng)——冷氣氣動或固體、液體推進劑燃氣氣動

液壓伺服系統(tǒng)——液體壓力驅動，比相同尺寸電動機功率大

電磁閥或繼電器——用于控制閥門的開啟或關閉執(zhí)行器即執(zhí)行裝置是按照控制指令信號，將電力、液壓和氣壓等能源的能量轉換成飛行器質心運動的機械能的裝置。5.1執(zhí)行機構概述5.2空氣舵控制裝置5.3推力矢量控制裝置5.4直接力控制裝置5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.6思考題主要內容5.2空氣舵控制裝置

空氣舵控制裝置是一種通過空氣和舵面的相互作用而產生所需控制力或控制力矩的施力裝置，它根據控制指令操縱飛行器上的舵面偏轉與控制指令相對應的舵偏角。放大器舵機反饋元件操縱機構舵偏角舵面舵回路控制指令+-圖5-1單通道空氣舵裝置原理框圖單通道空氣舵裝置由舵回路、操縱機構和舵面組成。5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路舵回路是飛行控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，它按照控制指令信號驅動舵機操縱舵面偏轉，產生相應的空氣動力，實現(xiàn)飛行器的角運動或航跡運動的穩(wěn)定與控制。組成：由放大器、舵機、反饋元件（作用是改善舵回路特性）組成。舵回路負載：舵面的慣量和作用在舵面上的氣動力矩（鉸鏈力矩）。鉸鏈力矩：當舵面偏轉時，流過舵面的氣流產生與舵偏角對應的空氣動力，并對舵機軸形成氣動力矩。（1）舵回路的組成及要求5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（2）舵回路的指標體系舵回路的選型和設計因素很多，慣量、體積等由結構確定，工作電壓、電流由電氣系統(tǒng)確定，而負載力矩、頻帶、功率、最大舵偏角和余度是由飛行器總體指標確定的。

負載力矩V圖5-2舵面不同偏轉角位置時的鉸鏈力矩5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路

頻帶

功率控制舵回路進行1°幅值的正弦偏轉運動時，幅值-3dB處的頻率值稱為舵回路系統(tǒng)的頻帶。

舵回路頻帶是由飛行器的固有頻率ωn確定的，對于靜穩(wěn)定的飛行器一般可取5~10倍的ωn。舵回路的負載力矩和最大角速度之間是互相關聯(lián)的，其乘積就是舵回路系統(tǒng)的功率。5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機舵機是飛行控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，也是舵回路中的核心部件。舵機的功能是按照控制指令輸出力矩或力，驅動舵面偏轉與控制指令對應的舵偏角。舵機類型：按照所用能源形式分為電動舵機、液壓舵機、電液復合舵機和氣動舵機。5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機電動舵機組成：

①電動機（直流或交流的）；②測速裝置；③位置傳感器；④齒輪傳動裝置；⑤安全保護裝置。

控制方式：

直接式和間接式。特點：

①能源是電力，與飛控系統(tǒng)用同一能源，設計、控制方便；

②結構簡單、制造方便、裝配維修方便；

③快速性較差。傳遞函數(shù)：5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機液壓舵機組成：

由電液信號轉換裝置（即電液伺服閥，由力矩馬達和液壓放大器組成）、作動筒和位移信號反饋裝置組成。優(yōu)點：體積小、重量輕、功率增益大、快速性好、靈敏度高、輸出功率與轉動慣量的比值大，可大范圍內無級調速（調速范圍可達200：1）缺點：

①能源是高壓液體，性能易受環(huán)境條件影響；

②工藝要求高，制造裝配較困難，生產成本較高。傳遞函數(shù)：圖5-3典型液壓舵機原理結構圖5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機液壓舵機液壓系統(tǒng)：

驅動裝置

泵站

控制閥

馬達

負載5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機氣壓舵機氣壓式舵機分為冷氣式和燃氣式舵機兩類。圖5-4冷氣式舵機原理結構圖傳遞函數(shù)：圖5-5燃氣式舵機原理結構圖（a）比例式燃氣舵機；（b）脈寬調制式燃氣舵機5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機氣壓舵機優(yōu)點：（1）動作迅速、響應快，可實現(xiàn)高速直線運動；（2）空氣有可壓縮性，易于實現(xiàn)力控制和過載保護；（3）氣源為空氣或氦氣，無火災危險和環(huán)境污染；

（4）氣壓舵機壓力等級低，結構簡單，易于生產，價格低。缺點：（1）位置控制和速度控制的精度較低，驅動剛性差；

（2）工作壓力較低，因而氣動舵機輸出力或扭矩較??；（3）氣動系統(tǒng)有較大的排氣噪聲，需要消聲處理；5.2空氣舵控制裝置5.2.1舵回路（3）舵機氣壓舵機5.2空氣舵控制裝置5.2.2空氣舵控制裝置傳遞函數(shù)及性能分析KpKMs(TMs+1)Koc-1iΔδΔU+-圖5-6采用比例控制方式的電動舵機執(zhí)行機構系統(tǒng)方框圖舵回路傳遞函數(shù)

舵回路穩(wěn)態(tài)精度舵回路穩(wěn)定性舵回路快速性5.1執(zhí)行機構概述5.2空氣舵控制裝置5.3推力矢量控制裝置5.4直接力控制裝置5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.6思考題主要內容5.3推力矢量控制裝置推力矢量控制（ThrustVectorControl,TVC）是一種通過控制發(fā)動機主推力相對飛行器質心的偏移，產生改變質心運動方向所需力矩的控制技術。圖5-7推力矢量控制原理圖MMTxφxLTTzTxTTyφy典型應用包括：彈道式導彈、短程空空導彈、反坦克導彈、地空導彈、潛射導彈等。性能指標體系：噴流偏轉角度、側向力系數(shù)、軸向推力損失、驅動力等。5.1執(zhí)行機構概述5.2空氣舵控制裝置5.3推力矢量控制裝置5.4直接力控制裝置5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.6思考題主要內容5.4直接力控制裝置直接力控制一般是在無人飛行器橫向剖面內按照一定規(guī)則布置噴流裝置，產生改變質心運動的直接控制力。用途：（1）提高系統(tǒng)響應速度；

（2）短時增大可用過載。典型應用：美國“愛國者”防空導彈PAC-3、歐洲反導導彈Aster15/Aster30、俄羅斯防空導彈9M96E/9M96E2、大氣層外飛行器（如衛(wèi)星、飛船、彈道導彈、攔截器等）。操縱方式：（1）力操縱方式；

（2）力矩操縱方式。vPP圖5-8直接力控制裝置操縱方式示意圖5.1執(zhí)行機構概述5.2空氣舵控制裝置5.3推力矢量控制裝置5.4直接力控制裝置5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.6思考題主要內容直流電動機通過換向器將直流轉換成電樞繞組中的交流，從而使電樞產生一個恒定方向的電磁轉矩。換向器電刷5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）圖5-9直流電機工作原理示意圖優(yōu)點：調速方便（可無級調速），調速范圍寬，低速性能好（啟動轉矩大、電流小），運行平穩(wěn)，轉矩和轉速容易控制。缺點：換向器需經常維護，電刷極易磨損，噪音比交流電機大。直流電機是一種將直流電能轉換成負載機械能的裝置。根據轉速的不同，直流電機可分成直流高速、直流低速和直流減速電機等。直流電機的控制方式：電壓控制或電流控制。5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）直流電機速度計算公式：

ω

=(Ua

-IaRa)/Ceφ其中:Ua

電樞端電壓Ia

電樞電流Ra

電樞電路總電阻Ce

電機結構參數(shù)φ

單極勵磁磁通量5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）轉速可以通過調節(jié)電樞電阻、調節(jié)勵磁電流和調節(jié)電樞電壓三種方式。PWM控制是利用脈寬調制器對大功率晶體管開關放大器的開關時間進行控制，將直流電壓轉換成某一頻率的矩形波電壓，加到直流電機的電樞兩端，通過對矩形波脈沖寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓達到調節(jié)電機轉速的目的。脈沖寬度調制（PulseWidthModulation，PWM）5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）在周期一定的前提下，正脈沖越寬，平均直流電壓越高，電機轉速越快。26電池電壓為10V，如果閉合開關50ms，在這50ms內電燈的電壓為10V，接著斷開開關50ms，在這50ms內電燈的電壓為0V。顯然，在這100ms之內，電燈的平均電壓為5V。如果使開關閉合與斷開的時間分配成60%和40%，在ta時間段內，開關閉合的時間為ta×60%，而斷開的時間為ta×40%，所以平均電壓為6V。5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）平均電壓27PWM信號是數(shù)字信號，在某一時刻，直流電平要么為高電平，要么為低電平。PWM信號控制電源以一系列脈沖的形式向負載供電。在帶寬足夠的情況下，任何模擬信號平均電壓都可由PWM信號產生。5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）28如何應用PWM信號控制直流電機的轉速？如果PWM信號發(fā)生器輸出的脈沖信號峰值為12V、且占空比為50%，則得到PWM信號的平均電壓為6V，這與電池所提供的電壓相同。所以在PWM信號平均電壓為6V時，直流電機無論使用電池供電還是PWM信號發(fā)生器，其轉速是相同的。5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）PWM信號控制直流電機的轉速利用單片機I/O口輸出PWM信號方法一：利用軟件延時。高電平延時時間到，端口輸出電平取反；低電平延時時間到，端口輸出電平再取反，如此循環(huán)方法二：利用定時器控制電平反轉方法三：利用單片機自帶的PWM控制器5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）占空比10%占空比90%直流電機的轉向控制（H橋電路）30轉向控制：電機的兩個管腳（+、-）和電源之間由4個開關A、B、C、D控制著。圖（a）中，開關A和D閉合，開關B和C斷開，這樣電流從直流電機的+極流向-極，于是電機正轉。圖（b）中，開關A和D斷開，而開關B和C閉合，則電流的方向與剛才正好相反，從電機的-極流向+極，于是電機反轉。轉速控制：可在圖（a）中，利用開關A、D的閉合與斷開時間控制PWM信號的正脈沖寬度，就可以控制正轉的轉速。在圖（b）中，利用開關B、C通斷時間，產生PWM信號來控制反轉的轉速。5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）直流電機的轉向控制31控制轉向的4個開關在實際電路中由場效應管實現(xiàn)。如圖（a）所示，場效應管Q1與Q4共G極，被置高電平，同時場效應管Q2與Q3共G極，被置0，于是Q1、Q4導通而Q2、Q3截止，于是電流從直流電機的+極流向-極，電機正轉。在圖（b）中，場效應管Q1與Q4截止而Q2與Q3導通，于是電流從電機的-極流向+極，電機反轉。場效應管的D極和S極之間并聯(lián)一個二極管，當直流電機的電感產生高壓而形成電流時，可以通過二極管放電而不會進入場效應管，從而保護了場效應管。5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）直流電機的通斷控制32需要根據電機的功率設計三極管開關電路。三極管TIP110最大可驅動額定電壓60V、額定電流2A的直流電機，并且在大電流工作狀態(tài)中三極管需要添加散熱器。5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）單片機控制直流電機33單片機的I/O口輸出的電平信號無法直接驅動場效應管的G極導通，可以在G極前添加一個驅動電路，三極管Q5和Q7驅動場效應管Q2與Q3的共G極，而三極管Q6和Q8驅動場效應管Q1與Q4的共G極。只要把單片機的I/O口分別接到三極管Q7和Q8，就可以用程序控制直流電機的轉速與轉向。5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）直流電機的全面控制34B0=B1=B2=B3=0時，4個場效應管全部截止時，直流電機兩端就好像懸空一樣，可以自由地轉動，此時為空轉狀態(tài)。電機會因為慣性自由轉動，不久由于摩擦等阻力的存在會，電機漸漸停止下來。如果B1=B3=1且B0=B2=0，場效應管Q3和Q4導通。這樣，電機兩端好像短路一樣，如果電機因為慣性還在轉動，則在兩端所產生的電動勢在電機線圈中產生電流，該電流在磁場（電機中有磁體）作用下產生一個與轉動方向相反的力，從而阻止電機繼續(xù)轉動，起到了剎車的作用。5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）直流電機的全面控制35在實際應用中，可用直流電機控制芯片L298，電源端+Vs的供電與電機的額定電壓相同，最大不超過46V。L298已經集成了場效應管和相應的驅動電路，只要操作其控制端就可實現(xiàn)直流電機的控制。在使能端ENB（11管腳）置1后，電機的正轉、反轉、剎車、空轉運行狀態(tài)通過控制端IN3（10管腳）和IN4（12管腳）實現(xiàn)，如果用單片機控制時，只要只要把L298的以上控制端與單片機的I/O口連接，由程序選擇運行狀態(tài)即可。5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.1直流電機（DCMotor）舵機是位置伺服驅動裝置，適用于需要角度連續(xù)變化且能夠保持穩(wěn)定的控制系統(tǒng)(如機器人關節(jié)、航模空氣舵片)。5.5小型無人機常用的執(zhí)行器5.5.2伺服電機（舵機——Servo）地線GND電源線Vcc控制信號