SMA-电机混合驱动原理与可折叠翼机构设计研究

SMA-电机混合驱动原理与可折叠翼机构设计研究
中国科学技术大学 硕士学位论文

摘  要
新型可折叠翼飞机在飞行过程中通过机翼的展开与折叠，保持最佳气动性能，以应对当今飞机多种飞行任务需求，是智能变形飞行器发展的重要方向，近年来受到国内外航空工业界和学者的广泛关注。驱动器是一个机器系统的核心，而数量众多的分布式驱动器设计是可折叠翼飞机设计的一个关键技术。
传统的单一驱动器由于各自的缺点不适用于可折叠翼。SMA驱动器功重比高，输出力大，但不易进行精确位置控制且不能实现位置锁定；直流电机定位精度高，但功重比低，不易用于质量、尺寸要求高的场合。这就需要一种体积小、重量轻、输出力大、位置控制精度高的新型驱动器。
本文对可折叠翼飞机与混合驱动器发展现状进行了调研，讨论了几种折叠翼飞机和混合驱动原理，针对航空航天领域的特殊需求，提出“SMA-电机混合直线驱动”概念，设计了一种兼具SMA输出力大与电机位移控制精度高的SMA-电机混合驱动器，作为可折叠翼的驱动源，并设计了折叠翼的传动机构。
首先，设计了折叠翼的传动与驱动机构。建立曲柄滑块传动机构的数学模型，利用数值分析软件和多体动力学软件，对力和位移进行约束条件下的多目标优化设计，获得曲柄滑块传动机构的尺寸参数。通过动力学仿真，确定给定载荷下传动副的支反力，为混合驱动器的设计提供几何与物理参数。
接着，进行了SMA-电机混合驱动器的结构设计。分析混合驱动原理，设计并联模式的SMA-电机混合驱动器实验样机。对主要受力零件丝杠与轴承进行了校核，并通过理论计算和仿真选取合适的电机。建立丝杠螺母的动力学方程，SMA的相变动力学方程以及直流电机模型，得到混合驱动器动力学系统的状态空间方程；建立系统仿真模型，仿真得到了驱动器的动力学与运动学特性曲线。设计整机的三维模型，完成混合驱动器的实验样机加工制作。
最后，提出一种SMA与电机的协调控制策略。利用丝杠螺母配合间隙ΔP，给电机施加占空比可变的电压，驱动丝杠迅速跟进SMA运动。给出了控制方案的具体步骤，设计并制作了混合驱动器的控制系统，完成机械与电路部分的集成装配，进行控制系统仿真与实验测试。
理论仿真与实验的结果显示，该混合驱动器能够提供大输出力，并能实现位移的控制与锁定，适用于新型可折叠翼飞机。

关键词：可折叠翼飞机  形状记忆合金  传动机构  SMA-电机混合驱动器  系统建模  协调控制策略