電動(dòng)伺服舵機(jī)的控制與仿真

郭永鳳

摘? ?要：闡述了無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理，分析了電動(dòng)伺服舵機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并建立了電動(dòng)伺服舵機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。推導(dǎo)了舵機(jī)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)并進(jìn)行穩(wěn)定性的分析，提出了基于PID控制方法的電動(dòng)伺服舵機(jī)的控制策略。對(duì)所提出的舵機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，利用MATLAB/Simulink對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載、電壓、轉(zhuǎn)角、輸出力矩等進(jìn)行仿真。

關(guān)鍵詞：伺服舵機(jī);無(wú)刷直流電機(jī);PID控制

中圖分類號(hào)：TH13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The working principle of brushless DC motor is introduced，the system structure of electric servo actuators is analyzed，its mathematical model is established. The transfer function of the servo actuator system is deduced，its stability is analyzed，the control strategy for the electric servo actuator system based on PID control is advanced. The stability of the presented controller is proved，a simulation test is finished about the load，the voltage，the rotation angle and output moment of the electric servo actuator system.

Key words：servo actuator;brushless DC motor;PID control

舵機(jī)按照動(dòng)力方式可分為如下幾類，由液壓驅(qū)動(dòng)的成為液壓舵機(jī);由氣壓驅(qū)動(dòng)的舵機(jī)稱為氣動(dòng)舵機(jī);由電壓氣驅(qū)動(dòng)的舵機(jī)稱為電動(dòng)舵機(jī)。其中的電動(dòng)舵機(jī)有很多的其它舵機(jī)沒有的優(yōu)點(diǎn)，包括所占空間小，質(zhì)量小，反饋速度快等等給[1]。電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)如果要達(dá)到對(duì)控制目標(biāo)進(jìn)行高精度的控制是較為復(fù)雜的，需要用到機(jī)電一體化的控制理論，其能否達(dá)到所需要求，將會(huì)影響到飛行器的飛行姿態(tài)甚至飛行安全。一個(gè)完整的舵機(jī)伺服系統(tǒng)回路包括液壓、電壓、電動(dòng)等，隨著技術(shù)的發(fā)展和整體飛行器的需求的增加，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)要達(dá)到的目標(biāo)越來(lái)越高，及其穩(wěn)定性能的要求也隨之增加[2]。因此，對(duì)電動(dòng)伺服舵機(jī)的控制的研究意義重大。

電動(dòng)舵機(jī)一詞早在二戰(zhàn)時(shí)期就被美國(guó)提出，并且利用電動(dòng)舵機(jī)制造出了C-1自動(dòng)駕駛儀，當(dāng)時(shí)，這種儀器主要應(yīng)用在導(dǎo)彈中，例如美國(guó)的RIM-66導(dǎo)彈以及法國(guó)的R530導(dǎo)彈都應(yīng)用了這種儀器[3]。20世紀(jì)70年代之后，發(fā)現(xiàn)了新型的稀土資源，這給電動(dòng)舵機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了第一道曙光?？恐@種稀土資源，電動(dòng)舵機(jī)的可靠性大大提升，這種改良后的電動(dòng)舵機(jī)仍舊運(yùn)用于導(dǎo)彈。當(dāng)時(shí)無(wú)刷電機(jī)還未出現(xiàn)，有刷電機(jī)為首選，其在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花，造成電磁波干擾，影響跟隨軌道的精度，也需要定期更換電刷，減少舵機(jī)的壽命。80年代以來(lái)數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)以及現(xiàn)代控制理論的快速發(fā)展等等條件下，為電動(dòng)舵機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了第二道曙光。這時(shí)的電動(dòng)舵機(jī)可靠性和精度大大提高，發(fā)生了質(zhì)的飛躍?？梢哉f是革命性的改變。90年代之后，稀土資源被廣泛應(yīng)用，集成芯片高速發(fā)展，現(xiàn)代控制理論越發(fā)成熟，電子技術(shù)逐漸展現(xiàn)出它的肌肉等等，為舵機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了第三道曙光[4]。無(wú)人機(jī)以及無(wú)刷直流電機(jī)這時(shí)也開始出現(xiàn)，無(wú)人機(jī)作為軍事領(lǐng)域的重要武器，各國(guó)也開始重視舵機(jī)的發(fā)展。因此也出現(xiàn)了無(wú)刷舵機(jī)，這種舵機(jī)具有所占空間小，質(zhì)量小，反饋速度快，壽命長(zhǎng)，精確度高等優(yōu)點(diǎn)[5]。從這時(shí)起，舵機(jī)逐漸被廣泛應(yīng)用到飛行器上，到了現(xiàn)代，智能芯片的出現(xiàn)，促進(jìn)了機(jī)器人的發(fā)展。而電動(dòng)舵機(jī)也被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人中，例如dynamixel，而我國(guó)的機(jī)器人不久之前控制其動(dòng)作還使用普通的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

我國(guó)某個(gè)航天研究所生產(chǎn)的有刷直流舵機(jī)雖具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是其只能運(yùn)用于小型無(wú)人機(jī)上，可靠性，穩(wěn)定性還存在一定的差距。而我國(guó)在輸出大扭矩的無(wú)刷直流舵機(jī)，基本處于空白狀態(tài)，而這種舵機(jī)別國(guó)嚴(yán)格封鎖技術(shù)輸出，國(guó)內(nèi)的技術(shù)突破迫在眉睫。

1? ?電動(dòng)伺服舵機(jī)

電動(dòng)伺服舵機(jī)以伺服電機(jī)為核心，還包括一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)傳感器，一共三部分，如圖1所示。

1.1? ?無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)工作的核心電子的轉(zhuǎn)向，無(wú)刷直流電子中具有定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)兩個(gè)磁場(chǎng)，其中定子磁場(chǎng)是通過多極繞組定子產(chǎn)生的，而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是通過永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的。無(wú)刷直流電機(jī)通過兩個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力線分布不均，產(chǎn)生力矩再轉(zhuǎn)化成電勢(shì)能。兩磁場(chǎng)磁力線方向是否一致是電機(jī)是否在工作的關(guān)鍵，所以要想電機(jī)工作兩磁場(chǎng)的磁力線方向要相反。無(wú)數(shù)直流電機(jī)就是通過改變磁場(chǎng)方向從而產(chǎn)生力矩而工作的，如圖二所示。

無(wú)刷直流電機(jī)的內(nèi)部具有一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，通過設(shè)置開關(guān)的狀態(tài)可以使定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。一旦定子磁場(chǎng)以某一速度旋轉(zhuǎn)起來(lái)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)也會(huì)被反作用的以相同的速度旋轉(zhuǎn)起來(lái)，這樣就可以完美的替代原來(lái)電機(jī)中的變相器和電刷的功能。所以也可以說這種電機(jī)是永磁同步電機(jī)。

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中除了直流開關(guān)，另一個(gè)重要部件是位置傳感器，這里通常使用霍爾元件作為傳感器。上面說無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)要靠定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，為了達(dá)到這一目的，就需要位置傳感器來(lái)工作了，位置傳感器穿插在兩磁場(chǎng)中的作用在于交換兩者的電流，霍爾元件可以根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，測(cè)量它與定子繞組的相對(duì)位移量，再根據(jù)預(yù)定好的輸入信號(hào)和反饋信號(hào)控制半導(dǎo)體開關(guān)，通過這一控制律可以實(shí)現(xiàn)換流，也就是電機(jī)的永磁。位置傳感器還可以在工作中給予定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)所需的電動(dòng)勢(shì)能[6]。

1.4? ?電動(dòng)伺服舵機(jī)總體模型的建立

基于以上兩部分模型的建立和PID控制理論，電動(dòng)伺服舵機(jī)的控制模型如下，如圖4，其中DC motor模塊即為無(wú)刷電動(dòng)伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，而有三個(gè)霍爾傳感器組成的測(cè)量裝置的數(shù)學(xué)模型為圖中的HALL模型[9]。

圖5中用于反饋位置的控制回路采用PID控制，其中電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速反饋控制回路和電流反饋控制回路組成，二者均使用了PI控制器，即圖中的IPID和VPID。

電動(dòng)伺服舵機(jī)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如圖5。

2? ?仿真結(jié)果分析

基于電動(dòng)伺服舵機(jī)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型對(duì)電動(dòng)伺服舵機(jī)進(jìn)行仿真分析，參數(shù)如下：

有無(wú)負(fù)載操作速度：大于0.12秒/60度;

工作環(huán)境溫度：常溫-零下20 ℃（常規(guī)下都能滿足，無(wú)需仿真時(shí)設(shè)定）;

工作電壓：24V DC;

轉(zhuǎn)角范圍：-25度～+25度;

最大輸出力矩：3.0Nm。

為了檢驗(yàn)電動(dòng)伺服舵機(jī)系統(tǒng)的在位置階躍信號(hào)下動(dòng)態(tài)性能特性，我們需要仿真出在1 V時(shí)的位置階躍信號(hào)響應(yīng)曲線，如圖6，和轉(zhuǎn)角位置階躍信號(hào)響應(yīng)曲線，如圖7。通過傳遞函數(shù)模型圖計(jì)算出傳遞函數(shù)后，我們可以得到電動(dòng)伺服舵機(jī)的伯德圖如圖8。

由圖6和圖7可得上升時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量，均符合一般實(shí)驗(yàn)所需設(shè)計(jì)要求。由伯德圖8可得所設(shè)計(jì)模型幅值裕度與相角裕度均滿足電動(dòng)伺服舵機(jī)回路穩(wěn)定性要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]? ? 張興國(guó)，林輝. 電動(dòng)伺服舵機(jī)系統(tǒng)中的迭代學(xué)習(xí)控制[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007（03）：354—356.

[2]? ? 席鵬，馬瑞卿，趙躍齊. 電動(dòng)舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)的模糊滑?？刂芠J]. 微特電機(jī)，2009，37（04）：31—33+37.

[3]? ? 王銀澤，李迅波. 無(wú)人機(jī)電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)仿真與分析[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2010（05）：36—38.

[4]? ? 陸紅.飛行器電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[5]? ? 王慧娟，王道波. 一種無(wú)人機(jī)用小型雙余度電動(dòng)伺服舵機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 微電機(jī)，43（3），2010：24—27

[6]? ? 王帥，陰玉梅，楊曉霞，等.直流電機(jī)型力促動(dòng)器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014，28（01）：48—55.

[7]? ? 符文星，孫力，于云峰，等.大力矩電動(dòng)負(fù)載模擬器設(shè)計(jì)與建模[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21 （12）： 3596—3598.

[8]? ? 吳金波，李紹安，李維嘉，等.新型電動(dòng)負(fù)載模擬器的控制器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2010，31（3）：1—4.

[11]? 楊波，曹奕濤，王俊奎.基于虛擬儀器的無(wú)人機(jī)舵面負(fù)載模 擬 器[J].測(cè) 控 技 術(shù)，2009，28（4）：53—57.