一種單通道小型電動舵機設(shè)計與仿真

摘要：????? 為滿足微小型導(dǎo)彈、 無人機、 機器人所使用舵機體積小、 重量輕、 響應(yīng)快的需求， 設(shè)計了一種以嵌入式數(shù)字信號處理器（DSP）為控制核心， 無刷直流電機與減速機構(gòu)正交布局的單通道小型電動舵機。 本文對系統(tǒng)的傳動機構(gòu)、 控制驅(qū)動器及控制軟件進行了詳細設(shè)計， 利用Matlab搭建了系統(tǒng)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(yōu)點。

關(guān)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(fā)布未來20 年小型無人機系統(tǒng)路線圖， 明確表示無人機將成為空軍情監(jiān)偵的基礎(chǔ)。 舵機是無人機飛控系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)， 其性能將直接影響無人機飛行過程的動態(tài)品質(zhì)。

無人機用舵機因其特殊而復(fù)雜的使用環(huán)境， 要求其具有功率體積比高、 響應(yīng)速度快、 可靠性高、使用壽命長等特點。 近年來， 美國已研發(fā)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(yīng)用較少，? 并且與美國還有一定的差距。 為此本文設(shè)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(tài)品質(zhì)好、 易于調(diào)參的優(yōu)點， 可用于多種領(lǐng)域，在現(xiàn)代無人機、 機載制導(dǎo)武器以及機器人等應(yīng)用場合具有廣闊的市場前景。

1舵機工作原理

本文設(shè)計的單通道電動舵機是以嵌入式數(shù)字信號處理器（DSP）為核心的單環(huán)位置反饋式伺服系統(tǒng)， 由控制驅(qū)動器、 無刷直流電機、 減速機構(gòu)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(jīng)可變參數(shù)PID控制算法運算后輸出控制指令， 驅(qū)動無刷直流電機轉(zhuǎn)動， 經(jīng)減速機構(gòu)減速后輸出系統(tǒng)所需的驅(qū)動力矩， 克服舵面上的負載力矩， 使舵面轉(zhuǎn)動到指令規(guī)定的位置。 其工作原理如圖1所示。

2舵機設(shè)計

2.1靜態(tài)設(shè)計

根據(jù)電動舵機技術(shù)指標要求的最大空載轉(zhuǎn)速和最大輸出力矩， 再由舵機的可用空間、 結(jié)構(gòu)布置， 確定舵機減速比， 即可得出無刷直流電機額定轉(zhuǎn)速和最大輸出力矩， 從而完成無刷直流電機的選型。 根據(jù)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(gòu)設(shè)計

傳動機構(gòu)由減速機構(gòu)、 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(qū)動， 減速機構(gòu)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(gòu)帶動舵面轉(zhuǎn)動。 為滿足舵機小型化的要求， 電機與減速機構(gòu)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(zhuǎn)數(shù)來間接實現(xiàn)舵偏角的測量。

在控制驅(qū)動器輸出的控制信號作用下， 經(jīng)過功率放大， 驅(qū)動無刷直流電機轉(zhuǎn)動， 并由齒輪和滾珠絲杠副組成的減速機構(gòu)減速， 將電機輸出的高速小力矩轉(zhuǎn)動變換為系統(tǒng)所需的低速大力矩轉(zhuǎn)動， 經(jīng)滾珠絲杠將轉(zhuǎn)動變?yōu)榻z杠螺母的直線運動， 實現(xiàn)舵面的偏轉(zhuǎn)。 同時， 固聯(lián)在絲杠端的位置傳感器測量出轉(zhuǎn)動的圈數(shù)反饋給控制驅(qū)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(shè)計與仿真?zhèn)鲃訖C構(gòu)工作原理為：? 由電機輸出軸驅(qū)動固連在電機軸上的主動輪轉(zhuǎn)動， 主動輪驅(qū)動從動輪并帶動絲杠作定軸轉(zhuǎn)動， 絲杠傳動的同時滾珠螺母沿絲杠軸線做往復(fù)直線運動， 滾珠螺母驅(qū)動搖臂并帶動舵面做回轉(zhuǎn)運動。

2.3控制驅(qū)動器設(shè)計

控制驅(qū)動器由控制電路、 功率驅(qū)動電路構(gòu)成。 其中控制電路部分由數(shù)字信號處理電路、 二次電源電路、 總線驅(qū)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(qū)動電路由光耦隔離電路、 邏輯綜合電路、 驅(qū)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(qū)動器采用以DSP為核心的全數(shù)字控制方式， 通過總線實現(xiàn)與外部信息的交換， 通過DSP的SPI接口接收傳動機構(gòu)中位置傳感器的測角信息， 在DSP內(nèi)根據(jù)舵控信號進行綜合運算后輸出控制信號， 經(jīng)過功率放大后輸出， 實現(xiàn)對傳動機構(gòu)的驅(qū)動控制。

2.4控制軟件設(shè)計

控制軟件以嵌入式DSP為硬件平臺， 采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)據(jù)采集模塊、 數(shù)據(jù)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(tǒng)上電后程序自動運行并進入主程序， 在主程序中完成系統(tǒng)及外設(shè)初始化等工作， 最后開放中斷， 進入主循環(huán)等待定時中斷事件（舵機自檢、 數(shù)據(jù)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(jù)上述設(shè)計方案， 利用Matlab中Simulink對系統(tǒng)進行建模， 模型如圖5所示。

3.1系統(tǒng)建模

舵機工作時， 控制驅(qū)動器接收控制指令， 產(chǎn)生PWM調(diào)制信號和控制無刷直流電機轉(zhuǎn)向的方向驅(qū)動信號， PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路進行功率放大后， 驅(qū)動無刷直流電機轉(zhuǎn)動。 無刷直流電機輸出的力矩通過減速機構(gòu)， 帶動舵軸按照給定的輸入信號偏轉(zhuǎn)。 舵機的位置反饋裝置通過齒輪與舵軸聯(lián)動， 在舵軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)時， 控制驅(qū)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(huán)控制， 以保證舵偏角在較短的響應(yīng)時間內(nèi)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(jù)分段式PD控制算法編寫S函數(shù)， 調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤差， 對系統(tǒng)進行閉環(huán)控制。 其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單， 易于實現(xiàn)， 對被控對象特性變化不太敏感。

3.1.2邏輯運算及功率驅(qū)動建模

控制模塊調(diào)節(jié)后輸出的控制量， 經(jīng)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(qū)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(shè)備選項改為MOSFET， 設(shè)置相應(yīng)的阻抗及容抗參數(shù)。

系統(tǒng)的控制信號、 PWM波以及電機的霍爾信號經(jīng)過邏輯運算模塊， 控制驅(qū)動電路中的各功率開關(guān)實現(xiàn)導(dǎo)通。

3.1.3電機建模

根據(jù)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(tǒng)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(shè)置轉(zhuǎn)矩系數(shù)及旋轉(zhuǎn)慣量等相應(yīng)電機參數(shù)。

3.1.4反饋回路建模

根據(jù)無刷直流電機轉(zhuǎn)速及輸出力矩， 設(shè)置無刷直流電機內(nèi)反饋回路。 反饋裝置是將偏角信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號反饋給控制電路。 其轉(zhuǎn)換系數(shù)為

3.2仿真結(jié)果

3.2.1空載角速度仿真

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

3.2.2負載角速度仿真

當系統(tǒng)加載剛度系數(shù)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(tǒng)的輸出響應(yīng)如圖7所示。 經(jīng)計算， 系統(tǒng)的負載角速度為173.4 （°）/s。

3.2.3最大舵偏角仿真

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

3.2.4系統(tǒng)帶寬仿真

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

3.2.5系統(tǒng)延時仿真

給以系統(tǒng)20 N·m的加載力矩， 輸入幅值為1°的階躍信號時， 系統(tǒng)的輸出響應(yīng)如圖10所示。 經(jīng)計算， 系統(tǒng)延遲時間為19 ms。

4試驗驗證

通過總體設(shè)計方案， 搭建測試系統(tǒng)對加工出的舵機進行試驗， 并將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進行

對比， 見表1。 數(shù)據(jù)表明， 該電動舵機測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)基本一致， 誤差主要來源于系統(tǒng)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(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本吻合。

5結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)代空戰(zhàn)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(guān)鍵技術(shù)。實驗結(jié)果表明，該型舵機具有重量輕、控制精度高、快速性好的優(yōu)點，能夠為后續(xù)的小型化舵機研究提供參考。

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