矢量推进系统是水下航行器的重要组成模块,“矢量”体现在推进过程中能根据航行任务精确地调整推进方向。矢量偏转驱动器是推进系统的核心部件,用于执行推进器的姿态控制。传统水下矢量推进系统采用液压或电机作为偏转驱动器,这类驱动器通常体积大、结构复杂,不利于系统的小型化和轻量化。为了简化矢量偏转驱动器的结构、提高结构紧凑性,有必要研制新型驱动器作为矢量偏转的执行机构。智能材料驱动特性的研究为矢量偏转驱动器设计提供了一种全新的技术思路。Ni-Ti形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)是一种具有轻质高强特点的金属智能材料,独特的形状记忆效应使其非常适合作为实现矢量偏转的驱动元件。本文的主要目的是根据矢量偏转功能与工程指标需求,研制一种响应快速、动作准确且运行平稳的SMA矢量偏转驱动器及其控制系统。矢量推进系统要求姿态变化可在全空间方位进行,单一方向最大偏转角为25°,偏转速度不低于3°/s,偏转输出力矩不低于5N·m。在自顶向下(Top-Down)设计思想的指导下,以矢量推进系统功能和指标为出发点,根据驱动子系统和传动子系统的功能要求进行机械结构设计和驱动元件选型,提出了三种基于SMA元件的矢量偏转驱动方案。经过对三种方案偏转平稳性和输出力矩的综合考量,确定回转型SMA矢量偏转驱动器设计为最终方案。根据选定方案确定了以Ni-Ti形状记忆合金丝作为驱动元件,并对元件输出性能指标提出了选购要求。为了掌握驱动元件的输出特点,对购买的Ni-Ti合金丝进行了实验与数值模拟研究。由此确定了丝径为0.5mm的SMA元件,回复应力输出范围在166MPa至300MPa之间时,能在满足回转驱动器转矩输出的条件下安全长期工作。为了定量描述偏转动作过程,对SMA回转驱动器进行了旋转动力学建模。结合SMA元件模型,建立了回转驱动系统模型。在此基础上对系统进行了开环仿真与实验研究,结果表明最大旋转角度仅在一定范围(1.0A～1.3A)内随驱动电流增加而增大,驱动电流超过临界值最大旋转角度不再变化;当驱动电流增加时,响应总用时单调下降,而转动过程用时先减小后增大,驱动电流为1.2A时存在极小值。将旋转角度作为反馈量,建立了回转驱动抗积分饱和(Anti-Windup)PID闭环控制系统,系统仿真结果表明其稳态相对误差能够控制在0.9%以内,回转驱动系统在响应速度和控制精度上都满足矢量偏转的工程需要。最后,通过一个矢量推进姿态控制实例说明了SMA回转驱动系统的可行性。