基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机及控制方法技术领域
本发明属于舵机技术领域，具体涉及一种基于十字梁双稳态装置的角度可调节压
电舵机及控制方法。
背景技术
近年来随着航空航天领域的迅速发展，人们对舵机的性能要求越来越高，舵机逐
渐向着结构紧凑、体积小，质量轻的方向发展。采用液压、气动驱动的舵机控制机构往往存
在结构复杂、质量及体积大等缺点。而传统电动舵机则需要加减速装置，设备复杂，质量大。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于十字梁双稳
态装置的角度可调节压电舵机及控制方法，在高频驱动条件下，能够快速响应并双向驱动
舵片，具有变形稳定，大行程，低能耗，响应迅速，动作准确可靠和抗干扰能力强的优势；能
够断电后位置保持并实现双向大角度控制。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机，包括底座1、角度调节机构5、
十字梁双稳态装置6以及与十字梁双稳态装置6相连接的舵片12；角度调节机构5包括弹性
元件2、调节螺钉3以及楔面相互接触的滑动楔块4-1和固定楔块4-2，其中弹性元件2通过前
端凹槽与底座1固接，弹性元件2前后两端内壁分别与滑动楔块4-1和固定于底座1上的固定
楔块4-2垂直面紧密接触，调节螺钉3穿过滑动楔块4-1并通过螺纹连接于底座1；十字梁双
稳态装置6纵向两端分别通过第一固定块7-1和第二固定块7-2安装于底座上方，其中第一
固定块7-1纵向过盈内嵌于弹性元件2后端凹槽并通过固定螺钉14与底座1固接；十字梁双
稳态装置6主要由十字连接的纵梁8和水平梁9组成，纵梁8由第一柔性梁8-1、第二柔性梁8-
2、第一刚性梁8-3以及第三柔性梁8-4依次构成，水平梁9位于第一柔性梁8-1和第二柔性梁
8-2之间，由结构和尺寸相同的第一水平刚性梁9-1和第二水平刚性梁9-2构成，第一水平刚
性梁9-1和第二水平刚性梁9-2的外端两侧分别固定有第一压电堆11-1和第二压电堆11-2，
第一压电堆11-1和第二压电堆11-2另一侧分别固接有第一惯性块10-1和第二惯性块10-2；
舵片12连接在水平梁9上部；舵机装配完成后，角度调节机构5对十字梁双稳态装置6施加纵
向预压力，纵梁8中的柔性梁受压变形并导致水平梁9绕十字中心顺时针或逆时针旋转预设
角度，即形成双稳态，该双稳态间的转换由第一压电堆11-1和第二压电堆11-2的通断电进
行控制，由此随水平梁9运动的舵片12实现姿态调整。
所述第一柔性梁8-1、第二柔性梁8-2、第三柔性梁8-4和弹性元件2均属于柔性部
件，其截面尺寸远小于轴向尺寸，当受到外力时会产生较大变形；所述第一刚性梁8-3、第一
水平刚性梁9-1和第二水平刚性梁9-2的截面尺寸与轴向尺寸在同一数量级，刚度大且能抵
御外力。
所述角度调节机构5中的滑动楔块4-1夹紧于弹性元件2前端内壁和固定楔块4-2
的楔面之间，当向下旋转调节螺钉3预设距离时，其螺帽带动滑动楔块4-1沿楔面向下运动，
滑动楔块4-1和固定楔块4-2增加的纵向尺寸导致弹性元件2前后两端内壁相互远离，使得
嵌于弹性元件2后端凹槽的第一固定块7-1受到纵向挤压并施以十字梁双稳态装置6预设预
压力，该预压力导致纵梁8中的第一柔性梁8-1，第二柔性梁8-2以及第三柔性梁8-4弹性变
形，该变形对应于水平梁9绕十字中心产生的旋转角度相同而方向相反的两个稳定状态，由
此实现通过调节螺钉3改变双稳态状态即舵机角度的功能。
所述基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机的控制方法，首先，安装时，通
过调节螺钉3对十字梁双稳态装置6施加预压力，水平梁9绕十字中心逆时针旋转预设角度
达到第一稳态；为使水平梁9顺时针旋转从第一稳态转换至第二稳态，对第二压电堆11-2快
速升至满行程电压，第二压电堆11-2快速伸长带动第二惯性块10-2产生惯性力，使得第一
水平刚性梁9-1端部和第二水平刚性梁9-2端部形成顺时针力偶，该力偶导致水平梁9顺时
针转动并经过平衡状态后转换至第二稳态，转换完成后对第二压电堆11-2缓慢断电，此时
第二惯性块10-2产生的惯性力未达到稳态转换的临界值，第二稳态在断电情况下得到保
持；同理，为使水平梁9逆时针旋转从第二稳态转换至第一稳态，对第一压电堆11-1快速升
至满行程电压，第一压电堆11-1快速伸长带动第一惯性块10-1产生惯性力，使得第一水平
刚性梁9-1端部和第二水平刚性梁9-2端部形成逆时针力偶，该力偶导致水平梁9逆时针转
动并经过平衡状态后转换至第一稳态，转换完成后对第一压电堆11-1缓慢断电，此时第一
惯性块10-1产生的惯性力未达到稳态转换的临界值，第一稳态在断电情况下得到保持；如
此便可实现舵机的双向大角度控制。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明含有刚性梁与柔性梁结合形成的混合梁，该混合梁受压产生双稳态且不
需要施加外界能力即可保持当前状态，因此该舵机可以控制舵片12输出方向相反两个偏转
角。且本发明在控制舵片12偏转时只需要在切换两个偏转角时通电，而在舵片12保持目前
状态持续输出偏转角时无需通电。不但实现了断电后位置保持，而且具有能耗低的特点。
2)本发明可通过调节螺钉改变舵面偏角，方法简单可靠，能够实时满足舵机需求，
具有应用性强的优点。
3)本发明只采用一个十字梁双稳态装置来形成舵片12控制机构，机构简单，便于
实现小体积轻量化设计，为小型飞行器节省了宝贵的内部空间。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明去舵片俯视图。
图3为本发明去弹性元件左视图。
图4为本发明十字梁双稳态装置第一稳态示意图。
图5为本发明十字梁双稳态装置第二稳态示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2和图3所示，本发明基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机，包
括底座1、角度调节机构5、十字梁双稳态装置6以及与十字梁双稳态装置6相连接的舵片12；
角度调节机构5包括弹性元件2、调节螺钉3以及楔面相互接触的滑动楔块4-1和固定楔块4-
2，其中弹性元件2通过前端凹槽与底座1固接，弹性元件2前后两端内壁分别与滑动楔块4-1
和固定于底座1上的固定楔块4-2垂直面紧密接触，调节螺钉3穿过滑动楔块4-1并通过螺纹
连接于底座1；十字梁双稳态装置6纵向两端分别通过第一固定块7-1和第二固定块7-2安装
于底座上方，其中第一固定块7-1纵向过盈内嵌于弹性元件2后端凹槽并通过固定螺钉14与
底座1固接；十字梁双稳态装置6主要由十字连接的纵梁8和水平梁9组成，纵梁8由第一柔性
梁8-1、第二柔性梁8-2、第一刚性梁8-3以及第三柔性梁8-4依次构成，水平梁9位于第一柔
性梁8-1和第二柔性梁8-2之间，由结构和尺寸相同的第一水平刚性梁9-1和第二水平刚性
梁9-2构成，第一水平刚性梁9-1和第二水平刚性梁9-2的外端两侧分别固定有第一压电堆
11-1和第二压电堆11-2，第一压电堆11-1和第二压电堆11-2另一侧分别固接有第一惯性块
10-1和第二惯性块10-2；舵片12连接在水平梁9上部；舵机装配完成后，角度调节机构5对十
字梁双稳态装置6施加纵向预压力，纵梁8中的柔性梁受压变形并导致水平梁9绕十字中心
顺时针或逆时针旋转预设角度，即形成双稳态，该双稳态间的转换由第一压电堆11-1和第
二压电堆11-2的通断电进行控制，由此随水平梁9运动的舵片12实现姿态调整。
作为本发明的优选实施方式，所述第一柔性梁8-1、第二柔性梁8-2、第三柔性梁8-
4和弹性元件2均属于柔性部件，其截面尺寸远小于轴向尺寸，当受到外力时会产生较大变
形；所述第一刚性梁8-3、第一水平刚性梁9-1和第二水平刚性梁9-2的截面尺寸与轴向尺寸
在同一数量级，刚度较大且能抵御一定外力。
作为本发明的优选实施方式，所述角度调节机构5中的滑动楔块4-1夹紧于弹性元
件2前端内壁和固定楔块4-2楔面之间，当向下旋转调节螺钉3预设距离时，其螺帽带动滑动
楔块4-1沿楔面向下运动，滑动楔块4-1和固定楔块4-2增加的纵向尺寸导致弹性元件2前后
两端内壁相互远离，使得嵌于弹性元件2后端凹槽的第一固定块7-1受到挤压并施以十字梁
双稳态装置6预设预压力，该预压力导致纵梁8中的第一柔性梁8-1，第二柔性梁8-2以及第
三柔性梁8-4弹性变形，该变形对应于水平梁9绕十字中心产生的旋转角度相同而方向相反
的两个稳定状态，由此实现通过调节螺钉3改变双稳态状态即舵机角度的功能。
如图4和图5所示，基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机的控制方法，其
特征在于：首先，安装时，通过调节螺钉3对十字梁双稳态装置6施加预压力，水平梁9绕十字
中心逆时针旋转预设角度达到第一稳态；为使水平梁9顺时针旋转从第一稳态转换至第二
稳态，对第二压电堆11-2快速升至满行程电压，第二压电堆11-2快速伸长带动第二惯性块
10-2产生惯性力，使得第一水平刚性梁9-1端部和第二水平刚性梁9-2端部形成顺时针力
偶，该力偶导致水平梁9顺时针转动并经过平衡状态后转换至第二稳态，转换完成后对第二
压电堆11-2缓慢断电，此时第二惯性块10-2产生的惯性力未达到稳态转换的临界值，第二
稳态在断电情况下得到保持；同理，为使水平梁9逆时针旋转从第二稳态转换至第一稳态，
对第一压电堆11-1快速升至满行程电压，第一压电堆11-1快速伸长带动第一惯性块10-1产
生惯性力，使得第一水平刚性梁9-1端部和第二水平刚性梁9-2端部形成逆时针力偶，该力
偶导致水平梁9逆时针转动并经过平衡状态后转换至第一稳态，转换完成后对第一压电堆
11-1缓慢断电，此时第一惯性块10-1产生的惯性力未达到稳态转换的临界值，第一稳态在
断电情况下得到保持；如此便可实现舵机的双向大角度控制。