第五章执行机构及其应用

《无人机控制系统》第五章执行机构及其应用讲授人：奚伯齐E-mail：uavcontrol@5.1执行机构概述5.2空气舵控制装置5.3推力矢量控制装置5.4直接力控制装置5.5小型无人机常用的执行器5.6思考题主要内容5.1.1执行机构的组成与分类5.1执行机构概述一般情况下，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——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5.2空气舵控制装置5.3推力矢量控制装置5.4直接力控制装置5.5小型无人机常用的执行器5.6思考题主要内容5.2空气舵控制装置

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空气舵控制装置5.2.1舵回路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，实现飞行器的角运动或航迹运动的稳定与控制。组成：由放大器、舵机、反馈元件（作用是改善舵回路特性）组成。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）。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空气舵控制装置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。

负载力矩V图5-2舵面不同偏转角位置时的铰链力矩5.2空气舵控制装置5.2.1舵回路

频带

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ωn确定的，对于静稳定的飞行器一般可取5~10倍的ωn。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。5.2空气舵控制装置5.2.1舵回路（3）舵机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。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。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空气舵控制装置5.2.1舵回路（3）舵机电动舵机组成：

①电动机（直流或交流的）；②测速装置；③位置传感器；④齿轮传动装置；⑤安全保护装置。

控制方式：

直接式和间接式。特点：

①能源是电力，与飞控系统用同一能源，设计、控制方便；

②结构简单、制造方便、装配维修方便；

③快速性较差。传递函数：5.2空气舵控制装置5.2.1舵回路（3）舵机液压舵机组成：

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200：1）缺点：

①能源是高压液体，性能易受环境条件影响；

②工艺要求高，制造装配较困难，生产成本较高。传递函数：图5-3典型液压舵机原理结构图5.2空气舵控制装置5.2.1舵回路（3）舵机液压舵机液压系统：

驱动装置

泵站

控制阀

马达

负载5.2空气舵控制装置5.2.1舵回路（3）舵机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空气舵控制装置5.2.1舵回路（3）舵机气压舵机优点：（1）动作迅速、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空气舵控制装置5.2.1舵回路（3）舵机气压舵机5.2空气舵控制装置5.2.2空气舵控制装置传递函数及性能分析KpKMs(TMs+1)Koc-1iΔδΔU+-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舵回路传递函数

舵回路稳态精度舵回路稳定性舵回路快速性5.1执行机构概述5.2空气舵控制装置5.3推力矢量控制装置5.4直接力控制装置5.5小型无人机常用的执行器5.6思考题主要内容5.3推力矢量控制装置推力矢量控制（ThrustVectorControl,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MMTxφxLTTzTxTTyφy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5.2空气舵控制装置5.3推力矢量控制装置5.4直接力控制装置5.5小型无人机常用的执行器5.6思考题主要内容5.4直接力控制装置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）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。vPP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5.2空气舵控制装置5.3推力矢量控制装置5.4直接力控制装置5.5小型无人机常用的执行器5.6思考题主要内容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。换向器电刷5.5小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）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小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）直流电机速度计算公式：

ω

=(Ua

-IaRa)/Ceφ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φ

单极励磁磁通量5.5小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）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（PulseWidthModulation，PWM）5.5小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）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ta时间段内，开关闭合的时间为ta×60%，而断开的时间为ta×40%，所以平均电压为6V。5.5小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）平均电压27PWM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小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）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小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）PWM信号控制直流电机的转速利用单片机I/O口输出PWM信号方法一：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，如此循环方法二：利用定时器控制电平反转方法三：利用单片机自带的PWM控制器5.5小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）占空比10%占空比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小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）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小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）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小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）单片机控制直流电机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小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）直流电机的全面控制34B0=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=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小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）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ENB（11管脚）置1后，电机的正转、反转、刹车、空转运行状态通过控制端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小型无人机常用的执行器5.5.1直流电机（DCMotor）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小型无人机常用的执行器5.5.2伺服电机（舵机——Servo）地线GND电源线Vcc控制信号