一種單通道小型電動舵機設計與仿真

摘要：????? 為滿足微小型導彈、 無人機、 機器人所使用舵機體積小、 重量輕、 響應快的需求， 設計了一種以嵌入式數字信號處理器（DSP）為控制核心， 無刷直流電機與減速機構正交布局的單通道小型電動舵機。 本文對系統的傳動機構、 控制驅動器及控制軟件進行了詳細設計， 利用Matlab搭建了系統模型， 對各組成模塊進行建模仿真。 通過試驗對比， 該型舵機具有體積小、 精度高、 可靠性強、 抗干擾能力強等優點。

關鍵詞：??? ?微小型; 電動舵機; 無刷直流電機; 單通道; 建模與仿真

中圖分類號：??? ?TJ765.4+3文獻標識碼：??? A文章編號：??? ?1673-5048（2019）03-0078-06[SQ0]

0引言

隨著無人機功能的日益完善， 用途也日漸廣泛。 2016年， 美國空軍正式發布未來20 年小型無人機系統路線圖， 明確表示無人機將成為空軍情監偵的基礎。 舵機是無人機飛控系統的執行機構， 其性能將直接影響無人機飛行過程的動態品質。

無人機用舵機因其特殊而復雜的使用環境， 要求其具有功率體積比高、 響應速度快、 可靠性高、使用壽命長等特點。 近年來， 美國已研發出一系列小型舵機， 并成功裝配于MQ-4C“人魚海神”、 RQ-11A“渡鴉”等型無人機; 中國在小型化舵機的研究道路上也取得了一定的成果， 但應用較少，? 并且與美國還有一定的差距。 為此本文設計了一種單通道小型電動舵機， 具有體積小、 重量輕、 工作壽命長、 動態品質好、 易于調參的優點， 可用于多種領域，在現代無人機、 機載制導武器以及機器人等應用場合具有廣闊的市場前景。

1舵機工作原理

本文設計的單通道電動舵機是以嵌入式數字信號處理器（DSP）為核心的單環位置反饋式伺服系統， 由控制驅動器、 無刷直流電機、 減速機構和反饋裝置等組成。 其工作原理是DSP綜合舵控制信號和舵面位置反饋信號， 經可變參數PID控制算法運算后輸出控制指令， 驅動無刷直流電機轉動， 經減速機構減速后輸出系統所需的驅動力矩， 克服舵面上的負載力矩， 使舵面轉動到指令規定的位置。 其工作原理如圖1所示。

2舵機設計

2.1靜態設計

根據電動舵機技術指標要求的最大空載轉速和最大輸出力矩， 再由舵機的可用空間、 結構布置， 確定舵機減速比， 即可得出無刷直流電機額定轉速和最大輸出力矩， 從而完成無刷直流電機的選型。 根據舵機性能指標， 舵機最低機械特性如圖2所示。

2.2傳動機構設計

傳動機構由減速機構、 無刷直流電機和位置傳感器組成。 無刷直流電動機采用三相方波驅動， 減速機構采用齒輪+滾珠絲杠副組合減速方式， 通過絲杠螺母直接推動搖臂機構帶動舵面轉動。 為滿足舵機小型化的要求， 電機與減速機構采用正交布局， 通過錐齒輪傳動來改變傳動方向。 位置反饋裝置采用非接觸的相對型磁電式編碼器， 通過測量滾珠絲杠的轉數來間接實現舵偏角的測量。

在控制驅動器輸出的控制信號作用下， 經過功率放大， 驅動無刷直流電機轉動， 并由齒輪和滾珠絲杠副組成的減速機構減速， 將電機輸出的高速小力矩轉動變換為系統所需的低速大力矩轉動， 經滾珠絲杠將轉動變為絲杠螺母的直線運動， 實現舵面的偏轉。 同時， 固聯在絲杠端的位置傳感器測量出轉動的圈數反饋給控制驅動器。

航空兵器2019年第26卷第3期

靳倩： 一種單通道小型電動舵機設計與仿真傳動機構工作原理為：? 由電機輸出軸驅動固連在電機軸上的主動輪轉動， 主動輪驅動從動輪并帶動絲杠作定軸轉動， 絲杠傳動的同時滾珠螺母沿絲杠軸線做往復直線運動， 滾珠螺母驅動搖臂并帶動舵面做回轉運動。

2.3控制驅動器設計

控制驅動器由控制電路、 功率驅動電路構成。 其中控制電路部分由數字信號處理電路、 二次電源電路、 總線驅動電路、 差分接收電路、 位置解碼電路、 通訊接口電路、 電源電壓檢測電路等六部分組成; 功率驅動電路由光耦隔離電路、 邏輯綜合電路、 驅動電路、 逆變電路和過流保護電路等五部分組成。 工作原理框圖如圖3所示。

控制驅動器采用以DSP為核心的全數字控制方式， 通過總線實現與外部信息的交換， 通過DSP的SPI接口接收傳動機構中位置傳感器的測角信息， 在DSP內根據舵控信號進行綜合運算后輸出控制信號， 經過功率放大后輸出， 實現對傳動機構的驅動控制。

2.4控制軟件設計

控制軟件以嵌入式DSP為硬件平臺， 采用模塊化結構設計， 主要由初始化模塊、 零位對準模塊、 上電自檢模塊、 地面自檢模塊、 數據采集模塊、 數據通訊模塊、 定時中斷模塊和控制算法模塊組成。

控制軟件屬于嵌入式軟件， 采用C語言和匯編語言混合編程。 工作原理為：? 系統上電后程序自動運行并進入主程序， 在主程序中完成系統及外設初始化等工作， 最后開放中斷， 進入主循環等待定時中斷事件（舵機自檢、 數據采集、 控制算法運算等）到來， 最終使舵機準確快速地完成控制指令的要求。 其流程圖如圖4所示。

3仿真分析

根據上述設計方案， 利用Matlab中Simulink對系統進行建模， 模型如圖5所示。

3.1系統建模

舵機工作時， 控制驅動器接收控制指令， 產生PWM調制信號和控制無刷直流電機轉向的方向驅動信號， PWM信號經過驅動電路進行功率放大后， 驅動無刷直流電機轉動。 無刷直流電機輸出的力矩通過減速機構， 帶動舵軸按照給定的輸入信號偏轉。 舵機的位置反饋裝置通過齒輪與舵軸聯動， 在舵軸發生偏轉時， 控制驅動器通過位置反饋裝置實時采集實際的舵偏角， 計算舵偏角同輸入指令的差分信號， 形成閉環控制， 以保證舵偏角在較短的響應時間內以一定的精度趨近給定角度值。

3.1.1控制算法建模

采用分段式PD控制算法， 根據分段式PD控制算法編寫S函數， 調節系統誤差， 對系統進行閉環控制。 其優點是結構簡單， 易于實現， 對被控對象特性變化不太敏感。

3.1.2邏輯運算及功率驅動建模

控制模塊調節后輸出的控制量， 經過運算后同一定頻率及幅值的三角波信號比較， 生成所需PWM波形。

模型驅動電路部分采用電力電子工具箱中的Universal Bridge， 同時將屬性中的設備選項改為MOSFET， 設置相應的阻抗及容抗參數。

系統的控制信號、 PWM波以及電機的霍爾信號經過邏輯運算模塊， 控制驅動電路中的各功率開關實現導通。

3.1.3電機建模

根據所選用的無刷直流電機， 電機的單相電壓平衡方程為

考慮到電機輸出具有明顯的非線性， 而傳統的電機微分方程模型僅能反映電機的線性輸出， 故模型中的電機模塊采用Simulink工具包中的Permanent Magnet Synchronous Machine， 同時將電機屬性里的反電動勢波形改成Trapezoidal， 并設置轉矩系數及旋轉慣量等相應電機參數。

3.1.4反饋回路建模

根據無刷直流電機轉速及輸出力矩， 設置無刷直流電機內反饋回路。 反饋裝置是將偏角信號轉換為數字信號反饋給控制電路。 其轉換系數為

3.2仿真結果

3.2.1空載角速度仿真

當系統空載時， 輸入周期為1 s、 幅值為30°的方波信號， 系統的輸出響應如圖6所示， 可以得到系統的空載角速度為247.4 （°）/s。

3.2.2負載角速度仿真

當系統加載剛度系數為2.8 N·m/（°）時， 輸入頻率為1.5 Hz、 幅值為30°的三角波信號， 系統的輸出響應如圖7所示。 經計算， 系統的負載角速度為173.4 （°）/s。

3.2.3最大舵偏角仿真

當系統空載時， 輸入頻率為0.125 Hz、 幅值為30°的正弦信號， 系統的輸出響應如圖8所示。 仿真結果顯示， 系統的最大工作舵偏角為29.8°。

3.2.4系統帶寬仿真

當系統空載時， 輸入幅值為1°、 頻率為0～125 Hz的連續正弦信號， 系統的頻率特性如圖9所示。 可以看到， 系統帶寬約為12 Hz。

3.2.5系統延時仿真

給以系統20 N·m的加載力矩， 輸入幅值為1°的階躍信號時， 系統的輸出響應如圖10所示。 經計算， 系統延遲時間為19 ms。

4試驗驗證

通過總體設計方案， 搭建測試系統對加工出的舵機進行試驗， 并將測試結果與仿真結果進行

對比， 見表1。 數據表明， 該電動舵機測試數據與仿真數據基本一致， 誤差主要來源于系統的間隙與摩擦因素， 同時實際電機和負載模型與仿真有差異，? 但仿真結果與試驗數據基本吻合。

5結論

根據現代空戰的使用要求，本文提出了一種可裝配于無人機的單通道小型電動舵機，解決了低成本、小型化、輕型化的關鍵技術。實驗結果表明，該型舵機具有重量輕、控制精度高、快速性好的優點，能夠為后續的小型化舵機研究提供參考。

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