變形機翼分布式超聲電機驅動(dòng)的應用設計方案

一、項目提出的背景和必要性

變形飛行器（Morphing Aircraft）通過(guò)自主改變飛行器的外形來(lái)改變飛行器的氣動(dòng)性能，以適應不同的飛行條件，從而擴展其飛行包線(xiàn)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，機翼對飛行器的升阻比、極限速度、機動(dòng)性、操控及穩定性、經(jīng)濟以及安全性等有極其重要的影響。變形機翼可以根據飛行任務(wù)和流場(chǎng)條件要求，通過(guò)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)現機翼外形大尺度變化的關(guān)鍵技術(shù)之一就是變形驅動(dòng)機構及其控制電路的設計。在本項目中，我們采用分布式超聲電機來(lái)改變機翼的彎度，對高彈性柔性蒙皮、超聲電機驅動(dòng)的變形系統、傳感器等進(jìn)行無(wú)縫一體化設計，從而避免機翼氣流分離現象的發(fā)生。

超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動(dòng)的新型微特電機，具有轉矩重量比大、高精度、斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，其結構如圖1所示。驅動(dòng)超聲電機必須施加一定功率的超聲頻段的交流信號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，并疊加成單一旋轉行波模態(tài)，最后通過(guò)定子與轉子之間的摩擦作用驅動(dòng)轉子運動(dòng)。因此對驅動(dòng)信號的頻率、相位和幅值都具有一定的要求，在本項目中我們采用PSoC芯片來(lái)實(shí)現對驅動(dòng)信號的處理。

圖1 TRUM-40電機結構圖

PSoC芯片拋棄使用分立的邏輯器件搭建驅動(dòng)和控制電路，將頻率發(fā)生、分頻分相、死區調節和部分驅動(dòng)電路以及控制電路等整合到PSoC中，大大減小了驅動(dòng)器的復雜程度，同時(shí)滿(mǎn)足了驅動(dòng)器的基本控制要求，可以通過(guò)調頻來(lái)調節電機轉速。另外，采用PSoC芯片強大的通信功能，實(shí)現了多臺分布式超聲電機的協(xié)調驅動(dòng)，自適應地改變機翼外形，從而大大降低了機翼控制系統的復雜度。圖2所示為單臺超聲電機的PSoC驅動(dòng)電路框圖。

圖2 超聲電機PSoC驅動(dòng)電路控制框圖

目前，在許多單片機應用系統中，上、下位機分工明確，單片機和上位機之間的數據通信是整個(gè)系統的基礎。本項目的上位機為PC機，為了使用電腦控制超聲電機的運行狀態(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(yǔ)言編寫(xiě)了相關(guān)程序和控制界面。

二、創(chuàng )新性

本項目首次提出采用PSoC芯片來(lái)驅動(dòng)變形機翼的分布式超聲電機，從而實(shí)現了多臺超聲電機的協(xié)調控制和機翼外形的自適應調節。

三、研究基礎

1、現階段已經(jīng)完成機翼變形機構的設計，如圖3所示。項目中選用TRUM－40電機作為變形機翼的驅動(dòng)器，采用防塵SMD型12mm尺寸型旋轉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(kāi)關(guān)控制變形邊界。目前已順利進(jìn)入驅動(dòng)器控制部分設計階段。

圖3 變形機翼的機械結構圖