一种单通道小型电动舵机设计与仿真

摘要：      为满足微小型导弹、 无人机、 机器人所使用舵机体积小、 重量轻、 响应快的需求， 设计了一种以嵌入式数字信号处理器（DSP）为控制核心， 无刷直流电机与减速机构正交布局的单通道小型电动舵机。 本文对系统的传动机构、 控制驱动器及控制软件进行了详细设计， 利用Matlab搭建了系统模型， 对各组成模块进行建模仿真。 通过试验对比， 该型舵机具有体积小、 精度高、 可靠性强、 抗干扰能力强等优点。

關键词：     微小型; 电动舵机; 无刷直流电机; 单通道; 建模与仿真

中图分类号：     TJ765.4+3文献标识码：    A文章编号：     1673-5048（2019）03-0078-06[SQ0]

0引言

随着无人机功能的日益完善， 用途也日渐广泛。 2016年， 美国空军正式发布未来20 年小型无人机系统路线图， 明确表示无人机将成为空军情监侦的基础。 舵机是无人机飞控系统的执行机构， 其性能将直接影响无人机飞行过程的动态品质。

无人机用舵机因其特殊而复杂的使用环境， 要求其具有功率体积比高、 响应速度快、 可靠性高、使用寿命长等特点。 近年来， 美国已研发出一系列小型舵机， 并成功装配于MQ-4C“人鱼海神”、 RQ-11A“渡鸦”等型无人机; 中国在小型化舵机的研究道路上也取得了一定的成果， 但应用较少，  并且与美国还有一定的差距。 为此本文设计了一种单通道小型电动舵机， 具有体积小、 重量轻、 工作寿命长、 动态品质好、 易于调参的优点， 可用于多种领域，在现代无人机、 机载制导武器以及机器人等应用场合具有广阔的市场前景。

1舵机工作原理

本文设计的单通道电动舵机是以嵌入式数字信号处理器（DSP）为核心的单环位置反馈式伺服系统， 由控制驱动器、 无刷直流电机、 减速机构和反馈装置等组成。 其工作原理是DSP综合舵控制信号和舵面位置反馈信号， 经可变参数PID控制算法运算后输出控制指令， 驱动无刷直流电机转动， 经减速机构减速后输出系统所需的驱动力矩， 克服舵面上的负载力矩， 使舵面转动到指令规定的位置。 其工作原理如图1所示。

2舵机设计

2.1静态设计

根据电动舵机技术指标要求的最大空载转速和最大输出力矩， 再由舵机的可用空间、 结构布置， 确定舵机减速比， 即可得出无刷直流电机额定转速和最大输出力矩， 从而完成无刷直流电机的选型。 根据舵机性能指标， 舵机最低机械特性如图2所示。

2.2传动机构设计

传动机构由减速机构、 无刷直流电机和位置传感器组成。 无刷直流电动机采用三相方波驱动， 减速机构采用齿轮+滚珠丝杠副组合减速方式， 通过丝杠螺母直接推动摇臂机构带动舵面转动。 为满足舵机小型化的要求， 电机与减速机构采用正交布局， 通过锥齿轮传动来改变传动方向。 位置反馈装置采用非接触的相对型磁电式编码器， 通过测量滚珠丝杠的转数来间接实现舵偏角的测量。

在控制驱动器输出的控制信号作用下， 经过功率放大， 驱动无刷直流电机转动， 并由齿轮和滚珠丝杠副组成的减速机构减速， 将电机输出的高速小力矩转动变换为系统所需的低速大力矩转动， 经滚珠丝杠将转动变为丝杠螺母的直线运动， 实现舵面的偏转。 同时， 固联在丝杠端的位置传感器测量出转动的圈数反馈给控制驱动器。

航空兵器2019年第26卷第3期

靳倩： 一种单通道小型电动舵机设计与仿真传动机构工作原理为：  由电机输出轴驱动固连在电机轴上的主动轮转动， 主动轮驱动从动轮并带动丝杠作定轴转动， 丝杠传动的同时滚珠螺母沿丝杠轴线做往复直线运动， 滚珠螺母驱动摇臂并带动舵面做回转运动。

2.3控制驱动器设计

控制驱动器由控制电路、 功率驱动电路构成。 其中控制电路部分由数字信号处理电路、 二次电源电路、 总线驱动电路、 差分接收电路、 位置解码电路、 通讯接口电路、 电源电压检测电路等六部分组成; 功率驱动电路由光耦隔离电路、 逻辑综合电路、 驱动电路、 逆变电路和过流保护电路等五部分组成。 工作原理框图如图3所示。

控制驱动器采用以DSP为核心的全数字控制方式， 通过总线实现与外部信息的交换， 通过DSP的SPI接口接收传动机构中位置传感器的测角信息， 在DSP内根据舵控信号进行综合运算后输出控制信号， 经过功率放大后输出， 实现对传动机构的驱动控制。

2.4控制软件设计

控制软件以嵌入式DSP为硬件平台， 采用模块化结构设计， 主要由初始化模块、 零位对准模块、 上电自检模块、 地面自检模块、 数据采集模块、 数据通讯模块、 定时中断模块和控制算法模块组成。

控制软件属于嵌入式软件， 采用C语言和汇编语言混合编程。 工作原理为：  系统上电后程序自动运行并进入主程序， 在主程序中完成系统及外设初始化等工作， 最后开放中断， 进入主循环等待定时中断事件（舵机自检、 数据采集、 控制算法运算等）到来， 最终使舵机准确快速地完成控制指令的要求。 其流程图如图4所示。

3仿真分析

根据上述设计方案， 利用Matlab中Simulink对系统进行建模， 模型如图5所示。

3.1系统建模

舵机工作时， 控制驱动器接收控制指令， 产生PWM调制信号和控制无刷直流电机转向的方向驱动信号， PWM信号经过驱动电路进行功率放大后， 驱动无刷直流电机转动。 无刷直流电机输出的力矩通过减速机构， 带动舵轴按照给定的输入信号偏转。 舵机的位置反馈装置通过齿轮与舵轴联动， 在舵轴发生偏转时， 控制驱动器通过位置反馈装置实时采集实际的舵偏角， 计算舵偏角同输入指令的差分信号， 形成闭环控制， 以保证舵偏角在较短的响应时间内以一定的精度趋近给定角度值。

3.1.1控制算法建模

采用分段式PD控制算法， 根据分段式PD控制算法编写S函数， 调节系统误差， 对系统进行闭环控制。 其优点是结构简单， 易于实现， 对被控对象特性变化不太敏感。

3.1.2逻辑运算及功率驱动建模

控制模块调节后输出的控制量， 经过运算后同一定频率及幅值的三角波信号比较， 生成所需PWM波形。

模型驱动电路部分采用电力电子工具箱中的Universal Bridge， 同时将属性中的设备选项改为MOSFET， 设置相应的阻抗及容抗参数。

系统的控制信号、 PWM波以及电机的霍尔信号经过逻辑运算模块， 控制驱动电路中的各功率开关实现导通。

3.1.3电机建模

根据所选用的无刷直流电机， 电机的单相电压平衡方程为

考虑到电机输出具有明显的非線性， 而传统的电机微分方程模型仅能反映电机的线性输出， 故模型中的电机模块采用Simulink工具包中的Permanent Magnet Synchronous Machine， 同时将电机属性里的反电动势波形改成Trapezoidal， 并设置转矩系数及旋转惯量等相应电机参数。

3.1.4反馈回路建模

根据无刷直流电机转速及输出力矩， 设置无刷直流电机内反馈回路。 反馈装置是将偏角信号转换为数字信号反馈给控制电路。 其转换系数为

3.2仿真结果

3.2.1空载角速度仿真

当系统空载时， 输入周期为1 s、 幅值为30°的方波信号， 系统的输出响应如图6所示， 可以得到系统的空载角速度为247.4 （°）/s。

3.2.2负载角速度仿真

当系统加载刚度系数为2.8 N·m/（°）时， 输入频率为1.5 Hz、 幅值为30°的三角波信号， 系统的输出响应如图7所示。 经计算， 系统的负载角速度为173.4 （°）/s。

3.2.3最大舵偏角仿真

当系统空载时， 输入频率为0.125 Hz、 幅值为30°的正弦信号， 系统的输出响应如图8所示。 仿真结果显示， 系统的最大工作舵偏角为29.8°。

3.2.4系统带宽仿真

当系统空载时， 输入幅值为1°、 频率为0～125 Hz的连续正弦信号， 系统的频率特性如图9所示。 可以看到， 系统带宽约为12 Hz。

3.2.5系统延时仿真

给以系统20 N·m的加载力矩， 输入幅值为1°的阶跃信号时， 系统的输出响应如图10所示。 经计算， 系统延迟时间为19 ms。

4试验验证

通过总体设计方案， 搭建测试系统对加工出的舵机进行试验， 并将测试结果与仿真结果进行

对比， 见表1。 数据表明， 该电动舵机测试数据与仿真数据基本一致， 误差主要来源于系统的间隙与摩擦因素， 同时实际电机和负载模型与仿真有差异，  但仿真结果与试验数据基本吻合。

5结论

根据现代空战的使用要求，本文提出了一种可装配于无人机的单通道小型电动舵机，解决了低成本、小型化、轻型化的关键技术。实验结果表明，该型舵机具有重量轻、控制精度高、快速性好的优点，能够为后续的小型化舵机研究提供参考。

参考文献：

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