摘要：????? 為滿(mǎn)足微小型導(dǎo)彈、 無(wú)人機(jī)、 機(jī)器人所使用舵機(jī)體積小、 重量輕、 響應(yīng)快的需求， 設(shè)計(jì)了一種以嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為控制核心， 無(wú)刷直流電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)正交布局的單通道小型電動(dòng)舵機(jī)。 本文對(duì)系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、 控制驅(qū)動(dòng)器及控制軟件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)， 利用Matlab搭建了系統(tǒng)模型， 對(duì)各組成模塊進(jìn)行建模仿真。 通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比， 該型舵機(jī)具有體積小、 精度高、 可靠性強(qiáng)、 抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：??? ?微小型; 電動(dòng)舵機(jī); 無(wú)刷直流電機(jī); 單通道; 建模與仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：??? ?TJ765.4+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：??? A文章編號(hào)：??? ?1673-5048（2019）03-0078-06[SQ0]

0引言

隨著無(wú)人機(jī)功能的日益完善， 用途也日漸廣泛。 2016年， 美國(guó)空軍正式發(fā)布未來(lái)20 年小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)路線圖， 明確表示無(wú)人機(jī)將成為空軍情監(jiān)偵的基礎(chǔ)。 舵機(jī)是無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 其性能將直接影響無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

無(wú)人機(jī)用舵機(jī)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(zhǎng)等特點(diǎn)。 近年來(lái)， 美國(guó)已研發(fā)出一系列小型舵機(jī)， 并成功裝配于MQ-4C“人魚(yú)海神”、 RQ-11A“渡鴉”等型無(wú)人機(jī); 中國(guó)在小型化舵機(jī)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(guó)還有一定的差距。 為此本文設(shè)計(jì)了一種單通道小型電動(dòng)舵機(jī)， 具有體積小、 重量輕、 工作壽命長(zhǎng)、 動(dòng)態(tài)品質(zhì)好、 易于調(diào)參的優(yōu)點(diǎn)， 可用于多種領(lǐng)域，在現(xiàn)代無(wú)人機(jī)、 機(jī)載制導(dǎo)武器以及機(jī)器人等應(yīng)用場(chǎng)合具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1舵機(jī)工作原理

本文設(shè)計(jì)的單通道電動(dòng)舵機(jī)是以嵌入式數(shù)字信號(hào)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(dòng)器、 無(wú)刷直流電機(jī)、 減速機(jī)構(gòu)和反饋裝置等組成。 其工作原理是DSP綜合舵控制信號(hào)和舵面位置反饋信號(hào)， 經(jīng)可變參數(shù)PID控制算法運(yùn)算后輸出控制指令， 驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)， 經(jīng)減速機(jī)構(gòu)減速后輸出系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)力矩， 克服舵面上的負(fù)載力矩， 使舵面轉(zhuǎn)動(dòng)到指令規(guī)定的位置。 其工作原理如圖1所示。

2舵機(jī)設(shè)計(jì)

2.1靜態(tài)設(shè)計(jì)

根據(jù)電動(dòng)舵機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求的最大空載轉(zhuǎn)速和最大輸出力矩， 再由舵機(jī)的可用空間、 結(jié)構(gòu)布置， 確定舵機(jī)減速比， 即可得出無(wú)刷直流電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和最大輸出力矩， 從而完成無(wú)刷直流電機(jī)的選型。 根據(jù)舵機(jī)性能指標(biāo)， 舵機(jī)最低機(jī)械特性如圖2所示。

2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由減速機(jī)構(gòu)、 無(wú)刷直流電機(jī)和位置傳感器組成。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用三相方波驅(qū)動(dòng)， 減速機(jī)構(gòu)采用齒輪+滾珠絲杠副組合減速方式， 通過(guò)絲杠螺母直接推動(dòng)搖臂機(jī)構(gòu)帶動(dòng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)。 為滿(mǎn)足舵機(jī)小型化的要求， 電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)采用正交布局， 通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)來(lái)改變傳動(dòng)方向。 位置反饋裝置采用非接觸的相對(duì)型磁電式編碼器， 通過(guò)測(cè)量滾珠絲杠的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)間接實(shí)現(xiàn)舵偏角的測(cè)量。

在控制驅(qū)動(dòng)器輸出的控制信號(hào)作用下， 經(jīng)過(guò)功率放大， 驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)， 并由齒輪和滾珠絲杠副組成的減速機(jī)構(gòu)減速， 將電機(jī)輸出的高速小力矩轉(zhuǎn)動(dòng)變換為系統(tǒng)所需的低速大力矩轉(zhuǎn)動(dòng)， 經(jīng)滾珠絲杠將轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)榻z杠螺母的直線運(yùn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)舵面的偏轉(zhuǎn)。 同時(shí)， 固聯(lián)在絲杠端的位置傳感器測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)反饋給控制驅(qū)動(dòng)器。

航空兵器2019年第26卷第3期

靳倩： 一種單通道小型電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)與仿真?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)工作原理為：? 由電機(jī)輸出軸驅(qū)動(dòng)固連在電機(jī)軸上的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)， 主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪并帶動(dòng)絲杠作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)， 絲杠傳動(dòng)的同時(shí)滾珠螺母沿絲杠軸線做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)， 滾珠螺母驅(qū)動(dòng)搖臂并帶動(dòng)舵面做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.3控制驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

控制驅(qū)動(dòng)器由控制電路、 功率驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。 其中控制電路部分由數(shù)字信號(hào)處理電路、 二次電源電路、 總線驅(qū)動(dòng)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(cè)電路等六部分組成; 功率驅(qū)動(dòng)電路由光耦隔離電路、 邏輯綜合電路、 驅(qū)動(dòng)電路、 逆變電路和過(guò)流保護(hù)電路等五部分組成。 工作原理框圖如圖3所示。

控制驅(qū)動(dòng)器采用以DSP為核心的全數(shù)字控制方式， 通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)與外部信息的交換， 通過(guò)DSP的SPI接口接收傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中位置傳感器的測(cè)角信息， 在DSP內(nèi)根據(jù)舵控信號(hào)進(jìn)行綜合運(yùn)算后輸出控制信號(hào)， 經(jīng)過(guò)功率放大后輸出， 實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制。

2.4控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件以嵌入式DSP為硬件平臺(tái)， 采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 主要由初始化模塊、 零位對(duì)準(zhǔn)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(shí)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(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。 工作原理為：? 系統(tǒng)上電后程序自動(dòng)運(yùn)行并進(jìn)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(kāi)放中斷， 進(jìn)入主循環(huán)等待定時(shí)中斷事件（舵機(jī)自檢、 數(shù)據(jù)采集、 控制算法運(yùn)算等）到來(lái)， 最終使舵機(jī)準(zhǔn)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(jì)方案， 利用Matlab中Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模， 模型如圖5所示。

3.1系統(tǒng)建模

舵機(jī)工作時(shí)， 控制驅(qū)動(dòng)器接收控制指令， 產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)和控制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)向的方向驅(qū)動(dòng)信號(hào)， PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大后， 驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 無(wú)刷直流電機(jī)輸出的力矩通過(guò)減速機(jī)構(gòu)， 帶動(dòng)舵軸按照給定的輸入信號(hào)偏轉(zhuǎn)。 舵機(jī)的位置反饋裝置通過(guò)齒輪與舵軸聯(lián)動(dòng)， 在舵軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)， 控制驅(qū)動(dòng)器通過(guò)位置反饋裝置實(shí)時(shí)采集實(shí)際的舵偏角， 計(jì)算舵偏角同輸入指令的差分信號(hào)， 形成閉環(huán)控制， 以保證舵偏角在較短的響應(yīng)時(shí)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(xiě)S函數(shù)， 調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤差， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制。 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 易于實(shí)現(xiàn)， 對(duì)被控對(duì)象特性變化不太敏感。

3.1.2邏輯運(yùn)算及功率驅(qū)動(dòng)建模

控制模塊調(diào)節(jié)后輸出的控制量， 經(jīng)過(guò)運(yùn)算后同一定頻率及幅值的三角波信號(hào)比較， 生成所需PWM波形。

模型驅(qū)動(dòng)電路部分采用電力電子工具箱中的Universal Bridge， 同時(shí)將屬性中的設(shè)備選項(xiàng)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(hào)、 PWM波以及電機(jī)的霍爾信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算模塊， 控制驅(qū)動(dòng)電路中的各功率開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。

3.1.3電機(jī)建模

根據(jù)所選用的無(wú)刷直流電機(jī)， 電機(jī)的單相電壓平衡方程為

考慮到電機(jī)輸出具有明顯的非線性， 而傳統(tǒng)的電機(jī)微分方程模型僅能反映電機(jī)的線性輸出， 故模型中的電機(jī)模塊采用Simulink工具包中的Permanent Magnet Synchronous Machine， 同時(shí)將電機(jī)屬性里的反電動(dòng)勢(shì)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(jī)參數(shù)。

3.1.4反饋回路建模

根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出力矩， 設(shè)置無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)反饋回路。 反饋裝置是將偏角信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(dāng)系統(tǒng)空載時(shí)， 輸入周期為1 s、 幅值為30°的方波信號(hào)， 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(fù)載角速度仿真

當(dāng)系統(tǒng)加載剛度系數(shù)為2.8 N·m/（°）時(shí)， 輸入頻率為1.5 Hz、 幅值為30°的三角波信號(hào)， 系統(tǒng)的輸出響應(yīng)如圖7所示。 經(jīng)計(jì)算， 系統(tǒng)的負(fù)載角速度為173.4 （°）/s。

3.2.3最大舵偏角仿真

當(dāng)系統(tǒng)空載時(shí)， 輸入頻率為0.125 Hz、 幅值為30°的正弦信號(hào)， 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(dāng)系統(tǒng)空載時(shí)， 輸入幅值為1°、 頻率為0～125 Hz的連續(xù)正弦信號(hào)， 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(shí)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(hào)時(shí)， 系統(tǒng)的輸出響應(yīng)如圖10所示。 經(jīng)計(jì)算， 系統(tǒng)延遲時(shí)間為19 ms。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)總體設(shè)計(jì)方案， 搭建測(cè)試系統(tǒng)對(duì)加工出的舵機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)， 并將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行

對(duì)比， 見(jiàn)表1。 數(shù)據(jù)表明， 該電動(dòng)舵機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)基本一致， 誤差主要來(lái)源于系統(tǒng)的間隙與摩擦因素， 同時(shí)實(shí)際電機(jī)和負(fù)載模型與仿真有差異，? 但仿真結(jié)果與試驗(yàn)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(wú)人機(jī)的單通道小型電動(dòng)舵機(jī)，解決了低成本、小型化、輕型化的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該型舵機(jī)具有重量輕、控制精度高、快速性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)楹罄m(xù)的小型化舵機(jī)研究提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙小龍， 馬鐵華， 劉艷莉.? 一種數(shù)字化舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)， 2012， 32（5）： 552-555.

Zhao Xiaolong， Ma Tiehua， Liu Yanli. The Design and Implementation of a Set of Digital Actuator System[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology，? 2012， 32（5）： 552-555.? （in Chinese）

[2] 付克亞. 一種數(shù)字無(wú)刷電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J] . 航空兵器，? 2018（4）： 84-88.

Fu Keya. Control System Design of a Digital Brushless Electric Actuator[J]. Aero Weaponry， 2018（4）： 84-88.? （in Chinese）

[3] 郭棟， 李朝富. 反操縱負(fù)載力矩對(duì)電動(dòng)舵機(jī)性能的影響分析[J] .? 航空兵器，? 2014（2）： 9-11.

Guo Dong， Li Chaofu.? Influence of Reverse Operating Torque on Electromechanical Actuator Performance[J]. Aero Weaponry，? 2014（2）： 9-11.? （in Chinese）