變形機(jī)翼分布式超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案

一、項(xiàng)目提出的背景和必要性

變形飛行器（Morphing Aircraft）通過自主改變飛行器的外形來改變飛行器的氣動(dòng)性能，以適應(yīng)不同的飛行條件，從而擴(kuò)展其飛行包線和改善其操作特性，減小阻力，加大航程，減少或消除顫振、抖振和渦流干擾等的影響，從而更有效地完成各種飛行任務(wù)。在飛行器的所有部件中，機(jī)翼對飛行器的升阻比、極限速度、機(jī)動(dòng)性、操控及穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)以及安全性等有極其重要的影響。變形機(jī)翼可以根據(jù)飛行任務(wù)和流場條件要求，通過精確的主動(dòng)變形，始終保持飛行所需的最佳形狀，從而保證較高的氣動(dòng)操縱效率。

實(shí)現(xiàn)機(jī)翼外形大尺度變化的關(guān)鍵技術(shù)之一就是變形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其控制電路的設(shè)計(jì)。在本項(xiàng)目中，我們采用分布式超聲電機(jī)來改變機(jī)翼的彎度，對高彈性柔性蒙皮、超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變形系統(tǒng)、傳感器等進(jìn)行無縫一體化設(shè)計(jì)，從而避免機(jī)翼氣流分離現(xiàn)象的發(fā)生。

超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)的新型微特電機(jī)，具有轉(zhuǎn)矩重量比大、高精度、斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)必須施加一定功率的超聲頻段的交流信號(hào)給定子上的兩相壓電陶瓷元件，使其產(chǎn)生同頻異相的駐波，并疊加成單一旋轉(zhuǎn)行波模態(tài)，最后通過定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。因此對驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率、相位和幅值都具有一定的要求，在本項(xiàng)目中我們采用PSoC芯片來實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)信號(hào)的處理。

圖1 TRUM-40電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

PSoC芯片拋棄使用分立的邏輯器件搭建驅(qū)動(dòng)和控制電路，將頻率發(fā)生、分頻分相、死區(qū)調(diào)節(jié)和部分驅(qū)動(dòng)電路以及控制電路等整合到PSoC中，大大減小了驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜程度，同時(shí)滿足了驅(qū)動(dòng)器的基本控制要求，可以通過調(diào)頻來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。另外，采用PSoC芯片強(qiáng)大的通信功能，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)分布式超聲電機(jī)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)，自適應(yīng)地改變機(jī)翼外形，從而大大降低了機(jī)翼控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。圖2所示為單臺(tái)超聲電機(jī)的PSoC驅(qū)動(dòng)電路框圖。

圖2 超聲電機(jī)PSoC驅(qū)動(dòng)電路控制框圖

目前，在許多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，上、下位機(jī)分工明確，單片機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目的上位機(jī)為PC機(jī)，為了使用電腦控制超聲電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，采用了常用的RS-232串口通信電路給PSoC發(fā)送控制指令,然后用VB語言編寫了相關(guān)程序和控制界面。

二、創(chuàng)新性

本項(xiàng)目首次提出采用PSoC芯片來驅(qū)動(dòng)變形機(jī)翼的分布式超聲電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)超聲電機(jī)的協(xié)調(diào)控制和機(jī)翼外形的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

三、研究基礎(chǔ)

1、現(xiàn)階段已經(jīng)完成機(jī)翼變形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖3所示。項(xiàng)目中選用TRUM－40電機(jī)作為變形機(jī)翼的驅(qū)動(dòng)器，采用防塵SMD型12mm尺寸型旋轉(zhuǎn)位置傳感器測試變形角度變化，采用歐姆龍D2MQ-4L-1-L限位開關(guān)控制變形邊界。目前已順利進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器控制部分設(shè)計(jì)階段。

圖3 變形機(jī)翼的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖