郭永鳳

摘? ?要：闡述了無刷直流電機的工作原理，分析了電動伺服舵機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并建立了電動伺服舵機系統(tǒng)的數(shù)學模型。推導了舵機系統(tǒng)的傳遞函數(shù)并進行穩(wěn)定性的分析，提出了基于PID控制方法的電動伺服舵機的控制策略。對所提出的舵機控制系統(tǒng)進行了穩(wěn)定性分析，利用MATLAB/Simulink對舵機系統(tǒng)的負載、電壓、轉(zhuǎn)角、輸出力矩等進行仿真。

關(guān)鍵詞：伺服舵機;無刷直流電機;PID控制

中圖分類號：TH13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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

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

電動舵機一詞早在二戰(zhàn)時期就被美國提出，并且利用電動舵機制造出了C-1自動駕駛儀，當時，這種儀器主要應用在導彈中，例如美國的RIM-66導彈以及法國的R530導彈都應用了這種儀器[3]。20世紀70年代之后，發(fā)現(xiàn)了新型的稀土資源，這給電動舵機的發(fā)展帶來了第一道曙光。靠著這種稀土資源，電動舵機的可靠性大大提升，這種改良后的電動舵機仍舊運用于導彈。當時無刷電機還未出現(xiàn)，有刷電機為首選，其在高速運轉(zhuǎn)時會產(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，減少舵機的壽命。80年代以來數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)以及現(xiàn)代控制理論的快速發(fā)展等等條件下，為電動舵機的發(fā)展帶來了第二道曙光。這時的電動舵機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，為舵機的發(fā)展帶來了第三道曙光[4]。無人機以及無刷直流電機這時也開始出現(xiàn)，無人機作為軍事領(lǐng)域的重要武器，各國也開始重視舵機的發(fā)展。因此也出現(xiàn)了無刷舵機，這種舵機具有所占空間小，質(zhì)量小，反饋速度快，壽命長，精確度高等優(yōu)點[5]。從這時起，舵機逐漸被廣泛應用到飛行器上，到了現(xiàn)代，智能芯片的出現(xiàn)，促進了機器人的發(fā)展。而電動舵機也被廣泛應用于機器人中，例如dynamixel，而我國的機器人不久之前控制其動作還使用普通的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

我國某個航天研究所生產(chǎn)的有刷直流舵機雖具有一定的優(yōu)勢，但是其只能運用于小型無人機上，可靠性，穩(wěn)定性還存在一定的差距。而我國在輸出大扭矩的無刷直流舵機，基本處于空白狀態(tài)，而這種舵機別國嚴格封鎖技術(shù)輸出，國內(nèi)的技術(shù)突破迫在眉睫。

1? ?電動伺服舵機

電動伺服舵機以伺服電機為核心，還包括一個運算放大器、一個傳感器，一共三部分，如圖1所示。

1.1? ?無刷直流電機的工作原理

無刷直流電機工作的核心電子的轉(zhuǎn)向，無刷直流電子中具有定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場兩個磁場，其中定子磁場是通過多極繞組定子產(chǎn)生的，而轉(zhuǎn)子磁場是通過永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的。無刷直流電機通過兩個磁場產(chǎn)生的磁力線分布不均，產(chǎn)生力矩再轉(zhuǎn)化成電勢能。兩磁場磁力線方向是否一致是電機是否在工作的關(guān)鍵，所以要想電機工作兩磁場的磁力線方向要相反。無數(shù)直流電機就是通過改變磁場方向從而產(chǎn)生力矩而工作的，如圖二所示。

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

無刷直流電動機中除了直流開關(guān)，另一個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。上面說無刷直流電動機要靠定子磁場轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)子磁場，為了達到這一目的，就需要位置傳感器來工作了，位置傳感器穿插在兩磁場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)，測量它與定子繞組的相對位移量，再根據(jù)預定好的輸入信號和反饋信號控制半導體開關(guān)，通過這一控制律可以實現(xiàn)換流，也就是電機的永磁。位置傳感器還可以在工作中給予定子繞組所產(chǎn)生的磁場旋轉(zhuǎn)所需的電動勢能[6]。

1.4? ?電動伺服舵機總體模型的建立

基于以上兩部分模型的建立和PID控制理論，電動伺服舵機的控制模型如下，如圖4，其中DC motor模塊即為無刷電動伺服電機的數(shù)學模型，而有三個霍爾傳感器組成的測量裝置的數(shù)學模型為圖中的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。

電動伺服舵機控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如圖5。

2? ?仿真結(jié)果分析

基于電動伺服舵機系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型對電動伺服舵機進行仿真分析，參數(shù)如下：

有無負載操作速度：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，無需仿真時設(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。

為了檢驗電動伺服舵機系統(tǒng)的在位置階躍信號下動態(tài)性能特性，我們需要仿真出在1 V時的位置階躍信號響應曲線，如圖6，和轉(zhuǎn)角位置階躍信號響應曲線，如圖7。通過傳遞函數(shù)模型圖計算出傳遞函數(shù)后，我們可以得到電動伺服舵機的伯德圖如圖8。

由圖6和圖7可得上升時間、穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量，均符合一般實驗所需設(shè)計要求。由伯德圖8可得所設(shè)計模型幅值裕度與相角裕度均滿足電動伺服舵機回路穩(wěn)定性要求。

參 考 文 獻

[1]? ? 張興國，林輝. 電動伺服舵機系統(tǒng)中的迭代學習控制[J]. 計算機測量與控制，2007（03）：354—356.

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

[3]? ? 王銀澤，李迅波. 無人機電動舵機伺服系統(tǒng)仿真與分析[J]. 機械研究與應用，2010（05）：36—38.

[4]? ? 陸紅.飛行器電動舵機系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 哈爾濱工程大學，2012.

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

[6]? ? 王帥，陰玉梅，楊曉霞，等.直流電機型力促動器的控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量與儀器學報，2014，28（01）：48—55.

[7]? ? 符文星，孫力，于云峰，等.大力矩電動負載模擬器設(shè)計與建模[J].系統(tǒng)仿真學報，2009，21 （12）： 3596—3598.

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

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