第五章 执行机构及其应用

1、第五章 执行机构及其应用 讲授人：奚伯齐 E-mail： 5.1 执行机构概述 5.1.1 执行机构的组成与分类 一般情况下，作用在飞行器上的力包括发动机推力、空气动力和重力。飞行器 的控制力是推力和空气动力的合力。执行机构是控制力的实现装置，由操纵机构和 伺服系统组成。 （1）操纵机构 空气舵控制装置控制舵面偏转改变作用在飞行器上的空气动力 推力矢量控制装置改变发动机推力的大小和方向 直接力控制装置直接产生一个新的控制力作用在飞行器上 （2）伺服系统 电动伺服系统交流或直流电动机 气动伺服系统冷气气动或固体、液体推进剂燃气气动 液压伺服系统液体压力驱动，比相同尺寸电动机功率大 电磁阀或继电器

2、用于控制阀门的开启或关闭 执行器即执行装置是按照控制指令信号，将电力、液压和气压等能源的能量转换成 飞行器质心运动的机械能的装置。 5.1 执行机构概述 空气舵控制装置是一种通过空气和舵面的相互作用而产生所需控制力 或控制力矩的施力装置，它根据控制指令操纵飞行器上的舵面偏转与控制 指令相对应的舵偏角。 放大器舵机 反馈元件 操纵机构 舵偏角 舵面 舵回路 控制指令 + - 图5-1 单通道空气舵装置原理框图 单通道空气舵装置由舵回路、操纵机构和舵面组成。 5.2.1 舵回路 l舵回路是飞行控制系统中不可缺少的组成部分，它按照控制指令信 号驱动舵机操纵舵面偏转，产生相应的空气动力，实现飞行器的角

3、 运动或航迹运动的稳定与控制。 l组成：由放大器、舵机、反馈元件（作用是改善舵回路特性）组成。 l舵回路负载：舵面的惯量和作用在舵面上的气动力矩（铰链力矩）。 l铰链力矩：当舵面偏转时，流过舵面的气流产生与舵偏角对应的空 气动力，并对舵机轴形成气动力矩。 （1）舵回路的组成及要求 5.2.1 舵回路 （2）舵回路的指标体系 舵回路的选型和设计因素很多，惯量、体积等由结构确定，工作电 压、电流由电气系统确定，而负载力矩、频带、功率、最大舵偏角和余 度是由飞行器总体指标确定的。 l 负载力矩 V 图5-2 舵面不同偏转角位置时的铰链力矩 () ee jjjejjjjje MCChq s bMM 5

4、.2.1 舵回路 l 频带 l 功率 控制舵回路进行1幅值的正弦偏转运动时，幅值-3dB处的频率值 称为舵回路系统的频带。 舵回路频带是由飞行器的固有频率 n 确定的，对于静稳定的飞行 器一般可取510倍的n。 舵回路的负载力矩和最大角速度之间是互相关联的，其乘积就是舵 回路系统的功率。 max 2AAf maxmax 1 4 j PM 5.2.1 舵回路 （3）舵机 l舵机是飞行控制系统中的执行元件，也是舵回路中的核心部件。 l舵机的功能是按照控制指令输出力矩或力，驱动舵面偏转与控制指令 对应的舵偏角。 l舵机类型：按照所用能源形式分为电动舵机、液压舵机、电液复合舵 机和气动舵机。 5.2.

5、1 舵回路 （3）舵机 l 电动舵机 组成： 电动机（直流或交流的）；测速装置；位置传感器；齿轮传动 装置；安全保护装置。 控制方式： 直接式和间接式。 特点： 能源是电力，与飞控系统用同一能源，设计、控制方便； 结构简单、制造方便、装配维修方便； 快速性较差。 ( ) ( )(1) M M Ks U ss T s 传递函数： 5.2.1 舵回路 （3）舵机 l 液压舵机 组成： 由电液信号转换装置（即电液伺服阀，由力矩马达和液压放大器组成）、 作动筒和位移信号反馈装置组成。 优点： 体积小、重量轻、功率增益大、快速性好、灵敏度高、输出功率与转动 惯量的比值大，可大范围内无级调速（调速范围可达

6、200：1） 缺点： 能源是高压液体，性能易受环境条件影响； 工艺要求高，制造装配较困难，生产成本较高。 max ( ) ( ) s X ss 传递函数： 图5-3 典型液压舵机原理结构图 5.2.1 舵回路 （3）舵机 l 液压舵机 液压系统： 驱动装置 泵站 控制阀 马达 负载 5.2.1 舵回路 （3）舵机 l 气压舵机 气压式舵机分为冷气式和燃气式舵机两类。 图5-4 冷气式舵机原理结构图 ( ) ( )1 Ks U sT s 传递函数： 图5-5 燃气式舵机原理结构图 （a）比例式燃气舵机 ； （b）脉宽调制式燃气舵机 5.2.1 舵回路 （3）舵机 l 气压舵机 优点： （1）动作

7、迅速、响应快，可实现高速直线运动； （2）空气有可压缩性，易于实现力控制和过载保护； （3）气源为空气或氦气，无火灾危险和环境污染； （4）气压舵机压力等级低，结构简单，易于生产，价格低。 缺点： （1）位置控制和速度控制的精度较低，驱动刚性差； （2）工作压力较低，因而气动舵机输出力或扭矩较小； （3）气动系统有较大的排气噪声，需要消声处理； 5.2.1 舵回路 （3）舵机 l 气压舵机 5.2.2 空气舵控制装置传递函数及性能分析 Kp KM s (TM s+1) Koc -1 i U+ - 图5-6 采用比例控制方式的电动舵机执行机构系统方框图 l 舵回路传递函数 l 舵回路稳态精度 l

8、 舵回路稳定性 l 舵回路快速性 5.1 执行机构概述 推力矢量控制（Thrust Vector Control, TVC）是一种通过控制发动机主推力 相对飞行器质心的偏移，产生改变质心运动方向所需力矩的控制技术。 图5-7 推力矢量控制原理图 M M Tx x L T Tz Tx T Ty y 典型应用包括：弹道式导弹、短程空空导弹、反坦克导弹、地空导弹、潜 射导弹等。 性能指标体系：喷流偏转角度、侧向力系数、轴向推力损失、驱动力等。 5.1 执行机构概述 直接力控制一般是在无人飞行器横向剖面内按照一定规则布置喷流装置，产 生改变质心运动的直接控制力。 用途：（1）提高系统响应速度； （2）

9、短时增大可用过载。 典型应用：美国“爱国者”防空导弹 PAC-3、欧洲反导导弹Aster15/ Aster30、 俄罗斯防空导弹9M96E/ 9M96E2、大气层外飞行器（如卫星、飞船、弹道导弹、 拦截器等）。 操纵方式：（1）力操纵方式； （2）力矩操纵方式。 v PP 图5-8 直接力控制装置操纵方式示意图 5.1 执行机构概述 直流电动机通过换向器将直流转换成电枢绕组中的交流，从而使电枢产生一个 恒定方向的电磁转矩。 换向器换向器 电刷电刷 5.5.1 直流电机（DC Motor） 图5-9 直流电机工作原理示意图 优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩 大、电流

10、小），运行平稳，转矩和转速容易控制。 缺点：换向器需经常维护，电刷极易磨损，噪音比交流电机大。 直流电机是一种将直流电能转换成负载机械能的装置。 根据转速的不同，直流电机可分成直流高速、直流低 速和直流减速电机等。 直流电机的控制方式：电压控制或电流控制。 5.5.1 直流电机（DC Motor） 直流电机速度计算公式： = (Ua - IaRa) / Ce 其中: Ua 电枢端电压 Ia 电枢电流 Ra 电枢电路总电阻 Ce 电机结构参数 单极励磁磁通量 5.5.1 直流电机（DC Motor） 转速可以通过调节电枢电阻、调节励磁电流和调节电枢电压三种方式。 PWM控制是利用脉宽调制器对大功

11、率晶体管开关放大器的开关时间进 行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电机 的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均 电压达到调节电机转速的目的。 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM） 5.5.1 直流电机（DC Motor） 在周期一定的前提下，正脉冲越宽，平均直流电压越高，电机转速 越快。 26 电池电压为10V，如果闭合开关50ms，在这50ms内电灯的电压为10V，接 着断开开关50ms，在这50ms内电灯的电压为0V。显然，在这100ms之内， 电灯的平均电压为5V。 如果使开关闭合与断开的时间分配成60%和40%，在

12、ta时间段内，开关闭合的 时间为ta60%，而断开的时间为ta40%，所以平均电压为6V。 5.5.1 直流电机（DC Motor） 平均电压 27 PWM信号是数字 信号，在某一时 刻，直流电平要 么为高电平，要 么为低电平。 PWM信号控制电 源以一系列脉冲 的形式向负载供 电。在带宽足够 的情况下，任何 模拟信号平均电 压都可由PWM信 号产生。 5.5.1 直流电机（DC Motor） 28 如何应用PWM信号控制 直流电机的转速？如果 PWM信号发生器输出的 脉冲信号峰值为12V、 且占空比为50%，则得 到PWM信号的平均电压 为6V，这与电池所提供 的电压相同。所以在 PWM信号

13、平均电压为 6V时，直流电机无论使 用电池供电还是PWM信 号发生器，其转速是相 同的。 5.5.1 直流电机（DC Motor） PWM信号控制直流电机的转速 l方法一：利用软件延时。高电平延时时间到，端口输出电平 取反；低电平延时时间到，端口输出电平再取反，如此循环 l方法二：利用定时器控制电平反转 l方法三：利用单片机自带的PWM控制器 5.5.1 直流电机（DC Motor） 占空比占空比10%10% 占空比占空比90%90% 直流电机的转向控制（H桥电路） 30 转向控制：电机的两个管脚（+、-） 和电源之间由4个开关A、B、C、D控 制着。图（a）中，开关A和D闭合， 开关B和C断

14、开，这样电流从直流电机 的+极流向-极，于是电机正转。图 （b）中，开关A和D断开，而开关B和 C闭合，则电流的方向与刚才正好相 反，从电机的-极流向+极，于是电机 反转。 转速控制：可在图（a）中，利用开关 A、D的闭合与断开时间控制PWM信 号的正脉冲宽度，就可以控制正转的 转速。在图（b）中，利用开关B、C 通断时间，产生PWM信号来控制反转 的转速。 5.5.1 直流电机（DC Motor） 直流电机的转向控制 31 控制转向的4个开关在实际 电路中由场效应管实现。如 图（a）所示，场效应管Q1 与Q4共G极，被置高电平， 同时场效应管Q2与Q3共G 极，被置0，于是Q1、Q4 导通而

15、Q2、Q3截止，于是 电流从直流电机的+极流向 -极，电机正转。在图（b） 中，场效应管Q1与Q4截止 而Q2与Q3导通，于是电流 从电机的-极流向+极，电 机反转。 场效应管的D极和S极之间并联一个二极管，当直流电机的电感产生 高压而形成电流时，可以通过二极管放电而不会进入场效应管，从而 保护了场效应管。 5.5.1 直流电机（DC Motor） 直流电机的通断控制 32 需要根据电机的功率设计三极管 开关电路。三极管TIP110最大可 驱动额定电压60V、额定电流2A 的直流电机，并且在大电流工作 状态中三极管需要添加散热器。 5.5.1 直流电机（DC Motor） 单片机控制直流电机

16、33 单片机的I/O口输出的 电平信号无法直接驱 动场效应管的G极导 通，可以在G极前添 加一个驱动电路，三 极管Q5和Q7驱动场 效应管Q2与Q3的共G 极，而三极管Q6和 Q8驱动场效应管Q1 与Q4的共G极。只要 把单片机的I/O口分别 接到三极管Q7和Q8， 就可以用程序控制直 流电机的转速与转向。 5.5.1 直流电机（DC Motor） 直流电机的全面控制 34 B0=B1=B2=B3=0时，4个场 效应管全部截止时，直流电机两 端就好像悬空一样，可以自由地 转动，此时为空转状态。电机会 因为惯性自由转动，不久由于摩 擦等阻力的存在会，电机渐渐停 止下来。 如果B1=B3=1且B0

17、=B2=0， 场效应管Q3和Q4导通。这样， 电机两端好像短路一样，如果电 机因为惯性还在转动，则在两端 所产生的电动势在电机线圈中产 生电流，该电流在磁场（电机中 有磁体）作用下产生一个与转动 方向相反的力，从而阻止电机继 续转动，起到了刹车的作用。 5.5.1 直流电机（DC Motor） 直流电机的全面控制 35 在实际应用中，可用直流电机 控制芯片L298，电源端+Vs 的供电与电机的额定电压相同， 最大不超过46V。L298已经 集成了场效应管和相应的驱动 电路，只要操作其控制端就可 实现直流电机的控制。在使能 端EN B（11管脚）置1后，电 机的正转、反转、刹车、空转 运行状态通

18、过控制端IN3（10 管脚）和IN4（12管脚）实现， 如果用单片机控制时，只要只 要把L298的以上控制端与单 片机的I/O口连接，由程序选 择运行状态即可。 5.5.1 直流电机（DC Motor） 舵机是位置伺服驱动装置，适用于需要角度连续变化且能够保持稳定的 控制系统(如机器人关节、航模空气舵片)。 5.5.2 伺服电机（舵机Servo） 地线地线GNDGND 电源线电源线VccVcc 控制信号线控制信号线 输出转轴输出转轴 l直流电机 l控制电路 l减速齿轮组 l舵盘 l位置反馈电位器 工作原理： 控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带 动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置 反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计， 电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制 电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标 停止。 指标： 重量、尺寸、工作速度、扭矩、工作电压、工作电流 特点： 体积紧凑，便于安装；输出力矩大，稳定性好；控制简单，便 于和数字系统接口。 5.5.2 伺服电机（舵机Servo） l舵机输出轴转角范围 0180 l舵机控制电路的信号周期为20ms l控制信号