本發(fā)明屬于舵機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種雙穩(wěn)態(tài)壓電舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)及控制方法。

背景技術(shù)：
近年來隨著航空航天領(lǐng)域的迅速發(fā)展，人們對(duì)舵機(jī)的性能要求越來越高，舵機(jī)逐漸向著體積小，質(zhì)量輕，電磁兼容性強(qiáng)的方向發(fā)展。采用液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)往往存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量及體積大等缺點(diǎn)。而傳統(tǒng)電動(dòng)舵機(jī)則需要加減速裝置，而且質(zhì)量大，電磁兼容性差,容易對(duì)航空器導(dǎo)航控制結(jié)構(gòu)造成影響。壓電驅(qū)動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)緊湊體積小、位移分辨率及定位精度高、響應(yīng)速度快、無雜散磁場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但是由于壓電材料形變范圍較小，導(dǎo)致舵機(jī)機(jī)構(gòu)控制范圍過小，因此在舵機(jī)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決傳統(tǒng)舵機(jī)體積質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁兼容性差的缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的在于提供一種雙穩(wěn)態(tài)壓電舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)及控制方法，利用梁的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)及壓電驅(qū)動(dòng)方式，控制實(shí)現(xiàn)壓電驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的大范圍偏轉(zhuǎn)；并且斷電時(shí)具有位置保持能力，該機(jī)構(gòu)裝配簡(jiǎn)單，響應(yīng)迅速，作動(dòng)精準(zhǔn)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種雙穩(wěn)態(tài)壓電舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)，包括底座10，固定在底座10上的第一扭轉(zhuǎn)單元1以及位于第一扭轉(zhuǎn)單元1自由端的第一剛度裝置2、第二扭轉(zhuǎn)單元3以及位于第二扭轉(zhuǎn)單元3自由端的第二剛度裝置4、第三扭轉(zhuǎn)單元5以及位于第三扭轉(zhuǎn)單元5自由端的第三剛度裝置6、第四扭轉(zhuǎn)單元7以及位于第四扭轉(zhuǎn)單元7自由端的第四剛度裝置8；所述第一扭轉(zhuǎn)單元1、第二扭轉(zhuǎn)單元3、第三扭轉(zhuǎn)單元5和第四扭轉(zhuǎn)單元7的結(jié)構(gòu)相同且位于同一平面內(nèi)依次間隔90°分布；所述第一剛度裝置2、第二剛度裝置4、第三剛度裝置6和第四剛度裝置8的結(jié)構(gòu)也相同，均與舵片相連接；所述第一扭轉(zhuǎn)單元1包括懸臂梁1-1以及黏貼在懸臂梁1-1相對(duì)面的第一壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-2和第二壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-3；所述第一剛度裝置2包括壓力簧片2-1和安裝于壓力簧片2-1內(nèi)部的軸承或軸瓦2-2；懸臂梁1-1穿過軸承或軸瓦2-2，軸承或軸瓦2-2的內(nèi)徑小于懸臂梁1-1的寬度，因此當(dāng)懸臂梁1-1安裝于剛度裝置2內(nèi)部后使壓力簧片2-1產(chǎn)生彈性變形從而壓力簧片2-1通過軸承或軸瓦2-2對(duì)懸臂梁1-1產(chǎn)生力的作用從而使其失穩(wěn)。四個(gè)扭轉(zhuǎn)單元及其自由端的剛度裝置均安裝于外罩9內(nèi)，并穿過外罩9與舵片相連接。上述所述雙穩(wěn)態(tài)壓電舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)的控制方法，未通電時(shí)，懸臂梁1-1由于受到壓力簧片2-1預(yù)壓力，處于失穩(wěn)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)一，偏轉(zhuǎn)角度為α；初始狀態(tài)時(shí)，同時(shí)對(duì)第一壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-2和第二壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-3施加半滿程電壓，此時(shí)兩者相對(duì)，作用力相互抵消，懸臂梁1-1保持原失穩(wěn)狀態(tài)不變；當(dāng)需要對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，對(duì)第一壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-2施加上升電壓，電壓升高至最大控制電壓，同時(shí)對(duì)第二壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-3施加下降電壓，電壓下降至最小控制電壓，從而使得懸臂梁1-1產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形從當(dāng)前失穩(wěn)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至另一個(gè)失穩(wěn)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)二，偏轉(zhuǎn)角度為-α；當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度處于-α?xí)r，若對(duì)第一壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-2施加下降電壓，電壓下降至最小控制電壓，同時(shí)對(duì)第二壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-3施加上升電壓，電壓上升至最大控制電壓，從而使得懸臂梁1-1產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形從當(dāng)前失穩(wěn)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至另一個(gè)失穩(wěn)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，偏轉(zhuǎn)角度為α。通過同樣方法，第二扭轉(zhuǎn)單元3、第三扭轉(zhuǎn)單元5和第四扭轉(zhuǎn)單元7對(duì)舵片進(jìn)行控制。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)本發(fā)明具有斷電后位置保持功能。因?yàn)橛捎趹冶哿?-1受到剛度裝置2作用后，始終處于兩個(gè)扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)狀態(tài)中的一個(gè)，即使不通電也始終對(duì)外輸出偏轉(zhuǎn)角。當(dāng)斷電后位置保持具有降低能耗，而且方便應(yīng)用的作用，是一般工程應(yīng)用中常見的需求。2)本發(fā)明通過在懸臂梁上粘貼壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器的方式構(gòu)成控制機(jī)構(gòu)，不需采用任何液壓及氣動(dòng)密封裝置，也不需采用減速器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小重量輕的特點(diǎn)。3)本發(fā)明采用壓電驅(qū)動(dòng)方式對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，壓電驅(qū)動(dòng)方式無雜散磁場(chǎng)，電磁兼容性強(qiáng)，不會(huì)對(duì)飛行器中導(dǎo)航及其他控制部件產(chǎn)生影響。附圖說明圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)立體圖。圖2a為第一扭轉(zhuǎn)單元與第一剛度裝置配合示意圖。圖2b為第一剛度裝置示意圖。圖2c為第一扭轉(zhuǎn)單元示意圖。圖3a為第一扭轉(zhuǎn)單元失穩(wěn)狀態(tài)一示意圖。圖3b為第一扭轉(zhuǎn)單元失穩(wěn)狀態(tài)一俯視示意圖。圖4a為第一扭轉(zhuǎn)單元失穩(wěn)狀態(tài)二示意圖。圖4b為第一扭轉(zhuǎn)單元失穩(wěn)狀態(tài)二俯視示意圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明一種雙穩(wěn)態(tài)壓電舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)，包括底座10，固定在底座10上的第一扭轉(zhuǎn)單元1以及位于第一扭轉(zhuǎn)單元1自由端的第一剛度裝置2、第二扭轉(zhuǎn)單元3以及位于第二扭轉(zhuǎn)單元3自由端的第二剛度裝置4、第三扭轉(zhuǎn)單元5以及位于第三扭轉(zhuǎn)單元5自由端的第三剛度裝置6、第四扭轉(zhuǎn)單元7以及位于第四扭轉(zhuǎn)單元7自由端的第四剛度裝置8；所述第一扭轉(zhuǎn)單元1、第二扭轉(zhuǎn)單元3、第三扭轉(zhuǎn)單元5和第四扭轉(zhuǎn)單元7的結(jié)構(gòu)相同且位于同一平面內(nèi)依次間隔90°分布；所述第一剛度裝置2、第二剛度裝置4、第三剛度裝置6和第四剛度裝置8的結(jié)構(gòu)也相同，均與舵片相連接。如圖2a、圖2b和圖2c所示，所述第一扭轉(zhuǎn)單元1包括懸臂梁1-1以及黏貼在懸臂梁1-1相對(duì)面的第一壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-2和第二壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-3；所述第一剛度裝置2包括壓力簧片2-1和安裝于壓力簧片2-1內(nèi)部的軸承或軸瓦2-2；懸臂梁1-1穿過軸承或軸瓦2-2，軸承或軸瓦2-2的內(nèi)徑小于懸臂梁1-1的寬度，因此當(dāng)懸臂梁1-1安裝于剛度裝置2內(nèi)部后使壓力簧片2-1產(chǎn)生彈性變形從而壓力簧片2-1通過軸承或軸瓦2-2對(duì)懸臂梁1-1產(chǎn)生力的作用從而使其失穩(wěn)。失穩(wěn)之后懸臂梁具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，即扭轉(zhuǎn)后偏轉(zhuǎn)角度為α或-α。下面對(duì)本發(fā)明的作動(dòng)方法進(jìn)行詳細(xì)說明：未通電時(shí)，如圖3a和圖3b所示，懸臂梁1-1由于受到壓力簧片2-1預(yù)壓力，處于失穩(wěn)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)一，偏轉(zhuǎn)角度為α；初始狀態(tài)時(shí)，同時(shí)對(duì)第一壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-2和第二壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-3施加半滿程電壓，此時(shí)兩者相對(duì)，作用力相互抵消，懸臂梁1-1保持原失穩(wěn)狀態(tài)不變。當(dāng)需要對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，對(duì)第一壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-2施加上升電壓，電壓升高至最大控制電壓，同時(shí)對(duì)第二壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-3施加下降電壓，電壓下降至最小控制電壓，從而使得懸臂梁1-1產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形從當(dāng)前失穩(wěn)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至另一個(gè)失穩(wěn)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)二，偏轉(zhuǎn)角度為-α(如圖4a和圖4b所示)。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度處于-α?xí)r，若對(duì)第一壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-2施加下降電壓，電壓下降至最小控制電壓，同時(shí)對(duì)第二壓電纖維復(fù)合材料作動(dòng)器1-3施加上升電壓，電壓上升至最大控制電壓，從而使得懸臂梁1-1產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形從當(dāng)前失穩(wěn)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至另一個(gè)失穩(wěn)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，偏轉(zhuǎn)角度為α。通過同樣方法，第二扭轉(zhuǎn)單元3，第三扭轉(zhuǎn)單元5，第四扭轉(zhuǎn)單元7，可對(duì)舵片進(jìn)行控制。