一、項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性能，以適應(yīng)不同的飛行條件，從而擴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，機翼對飛行器的升阻比、極限速度、機動性、操控及穩(wěn)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(jù)飛行任務(wù)和流場條件要求，通過精確的主動變形，始終保持飛行所需的最佳形狀，從而保證較高的氣動操縱效率。

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

超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動的新型微特電機，具有轉(zhuǎn)矩重量比大、高精度、斷電自鎖等優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動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(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)動轉(zhuǎn)子運動。因此對驅(qū)動信號的頻率、相位和幅值都具有一定的要求，在本項目中我們采用PSoC芯片來實現(xiàn)對驅(qū)動信號的處理。

圖1 TRUM-40電機結(jié)構(gòu)圖

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

圖2 超聲電機PSoC驅(qū)動電路控制框圖

目前，在許多單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，上、下位機分工明確，單片機和上位機之間的數(shù)據(jù)通信是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。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語言編寫了相關(guān)程序和控制界面。

二、創(chuàng)新性

本項目首次提出采用PSoC芯片來驅(qū)動變形機翼的分布式超聲電機，從而實現(xiàn)了多臺超聲電機的協(xié)調(diào)控制和機翼外形的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

三、研究基礎(chǔ)

1、現(xiàn)階段已經(jīng)完成機翼變形機構(gòu)的設(shè)計，如圖3所示。項目中選用TRUM－40電機作為變形機翼的驅(qū)動器，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。目前已順利進入驅(qū)動器控制部分設(shè)計階段。

圖3 變形機翼的機械結(jié)構(gòu)圖