文档介绍：中国科学技术大学
硕士学位论文
SMA-电机混合驱动原理与可折叠翼机构设计研究
姓名:李贺
申请学位级别:硕士
专业:机械电子工程
指导教师:杨杰;许旻
2011-05-16
摘要
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
I
Abstract
ABSTRACT
New folding wing aircraft which can fold or expansion the wing in flight to
maintain the best aerodynamic performance, in response to requirements of a variety
mission,is an important development of smart morphing aircraft, which capture
domestic and international aviation industry and scholars’ attention in recent years.
Actuation system is the heart of a machine, and the design of a large number of
distributed actuators is a key technology of folding wing aircraft design.
Traditional single actuator can’t be applied to folding wing aircraft because of
their disadvantage. SMA actuator has high power weight ratio and larger output
force, but it is not easy to achieve precise position control and can’t be self-locking.
DC motor has a higher positioning accuracy, but the power weight ratio is lower. It
ca