电机舵课程设计

舵机是航空航天器飞行控制系统中一个不可缺少的重要组成部分，它是控制器的一个施力装置，根据控制器的指令产生相应的力和力矩，来操纵导弹舵面导向机构，从而实现飞行姿态和轨迹的控制。因此，舵机系统的性能好坏直接影响着飞行控制系统的性能和飞行安全。Matlab/Simulink软件模块，是具有动态建模、仿真及综合分析功能的高性能软件包。它为用户提供了一个非常友好的仿真环境，支持连续、离散和混合的线性、非线性系统，并且为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，还包括了众多的线性和非线性环节，使用极为方便。采用Matlab/Simulink模块对舵机系统进行建模与仿真，无论对其性能分析，还是系统辅助设计，都有重要的意义。关键词：电机舵；伺服直流电机；控制电机目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1电动舵系统 1\o"CurrentDocument"1.1电动舵机的国内研究现状 1\o"CurrentDocument"1.2电动舵机系统的组成 1\o"CurrentDocument"1.3电动舵机系统的工作原理 2\o"CurrentDocument"2电动舵机系统器件 3\o"CurrentDocument"2.1伺服电机选型 3\o"CurrentDocument"2.2减速器 4\o"CurrentDocument"2.3反馈装置及其数学模型 52.3.1电流反馈 52.3.2伺服电机转子位置检测及速度反馈 62.3.3伺服电机转速、角度反馈以及舵面角度反馈 6\o"CurrentDocument"3系统的数学模型 8\o"CurrentDocument"3.1.伺服放大器 8\o"CurrentDocument"3.2直流伺服电机 8\o"CurrentDocument"3.3减速器 9\o"CurrentDocument"3.4反馈电位计 9\o"CurrentDocument"3.5电动舵机系统结构图 9\o"CurrentDocument"4电动舵机系统仿真 11\o"CurrentDocument"4.1simulink框图搭建 11\o"CurrentDocument"4.2仿真结果 12\o"CurrentDocument"5结束语 13\o"CurrentDocument"参考文献 14\o"CurrentDocument"致谢 151电动舵系统1.1电动舵机的国内研究现状舵机作为伺服执行机构，广泛应用于飞机、导弹、火箭等飞行器，由于这些现代的飞行器要求其控制系统具有高精度.高灵敏度和高可靠性，因此对舵机的性能提出了更高的要求，促使舵机向着质量、体积不断减小，承载能力不断增强控制性能不断提高的方向发展，于是新型高性能舵机的研究和开发引起了各国军方和科研机构的极大关注。根据动力源的不同，常用的舵机系统可分为液压舵机、气动舵机及电动舵机。此外为了增加舵机系统的可靠性，出现了冗余设计的舵机，但是其体积重量较大，因此我们在此不做讨论。传统的火箭和导弹都是采用液压舵机或气动舵机，但此类舵机的缺点是结构复杂、加工精度高.质量大、成本高，技术难度大。电动舵机与它们相比，具有结构简单.加工装配容易、线路铺设、制造维修及改装方便等特点，还可以与飞行控制系统使用同一种能源，且易实现余度控制，可靠性高。虽然国内在电动舵机领域投入了很大的研究力度，也取得了显著的成果。但与国外相比，我国在电动舵机的研究及广泛应用等方面都还存在较大差距，我国对直流无刷电机的关键性控制技术的研究直到上世纪八十年代才开始起步，另外，高精度、大力矩的无刷直流电机的制造等精密加工技术上也与国外存在较大差距。目前，这方面国内某航天研究所处于领先地位，但是其生产的某型电动舵机采用的是直流有刷电机，导致在要求的同等体积下，与采用直流无刷电机相比，输出力矩较小，仅适用于小型的飞行器，不能很好的满足本课题对舵机的性能要求。对于由无刷直流电机构成的大输出力矩的电动舵机系统，国内在这方面目前基本还处于空白.同时由于大力矩、高精度的电机舵机具有明显的军事用途，因此被西方国家严格封锁对我国输入。1.2电动舵机系统的组成导弹的舵机系统主要由2组单通道的电动舵机组成，分别控制副翼和V尾。电动舵机以机载电池为能源，一般由舵机控制器、功率驱动电路、伺服电机、减速传动机构和反馈传感器器等五大部分组成，结构组成如图1.1所示。图1.1电动舵机系统组成方框图1.3电动舵机系统的工作原理舵机正常工作时，舵机控制器接受制导计算机给定的舵面偏转指令，驱动伺服电机带动舵面偏转，同时舵机控制器实时采集实际的舵面角度，保证舵面在一定的响应时间内以一定的精度趋近给定角度值，使导弹完成升降、航向以及协调转弯等飞行任务，最终使导弹按照预定的姿态和航线飞行。控制器采用高速PWM调速模式，通过调整PWM的脉冲宽度，实现对输出电压平均值的控制，从而达到通过控制电机的电枢电压来实现舵机调速。当实际舵面偏角与要求的角度存在误差时，控制器产生PWM波调制信号和控制伺服电机正反转信号，PWM信号经过驱动器进行功率放大后，驱动伺服电机转动。伺服电机的力矩通过减速传动机构，带动舵面按照要求的角度偏转；角度误差为正时，给出使伺服电机正转的信号，舵面向正方向转动；角度误差为负时，给出使伺服电机正转的信号，舵面向负方向转动，从而不断的调整角度，形成位置闭环系统。2电动舵机系统器件2.1伺服电机选型舵机系统是一个闭环角位置伺服控制系统。具有大负载、快响应、高精度和小型化的特点。而直流无刷电机具有体积小、重量轻、功率密度高、输出力矩大、动态性能好、线性度好、结构简单等优点，尤其适合对电机重量、体积、输出力矩、控制精度等要求。经过仔细的调研和最终的方案论证，最终选择Maxon公司的EC-powermax系列的新型直流无刷电机，该型电机基于无铁芯空心杯电枢绕组原理，具有以下的技术特点：•无机械换向，其寿命仅受轴承寿命的限制（20，000小时）•无齿槽转矩•无铁损•无饱和效应•电气时间常数小、小电感该电机的其他有关的性能参数如下：名称伺服电机参数参数要求额定电压14V14.8V1.48V额定转速8470rpm控制力矩0.206Nm0.15Nm额定电流1.5A堵转力矩0.237Nm0.2Nm终端电阻0.902终端电感0.0882mH转矩常数14.3mNm/A机电时间常数0.00458sTdj0.008s转子惯量10.3、摩擦系数0.1反电动势系数0.1伺服放大器等效电阻0.1通常电机的性能可以由它的工作特性曲线反映，电机的工作特性主要由电机运行范围曲线来反映，运行范围主要由连续工作区、短时工作区、最大连续电流和转矩、最高允许转速和线圈的最好温度来限制。连续运行区是在“最大连续转矩”和“最高允许转速”两条线以内的区域，在此区域长时间运行，不会对系统造成损坏。短时工作区主要是由热效应造成的，因为绕组具有最高工作温度值，一般稀有金属电刷的换向系统转子的最高温度不超过85，短时过流的时间主要由绕组的热时间常数决定的，过载的时间根据电机的不同一般由几秒钟到约一分钟。图2.2电机的工作特性曲线2.2减速器电动舵机的输出力矩要传递到舵面上，必须要有传动机构，考虑到机身的布局以及空间位置的限制，最终采用连杆机构进行传动，电动舵机与副翼的连接示意图如图2.3所示。

图2.3舵机减速机构减速比n=1/6776舵面的倾角转动范围为：20°—-20°。从连杆机构的结构图的简化几何图可以看出，该机构并不是标准的平行四连杆机构，而是不规则的四边形结构，从仿真的结果来看，在舵面工作的.20°—-20。的角度范围内，电动舵机的输出角度与实际的舵面偏转角度之间重合得非常好。2.3反馈装置及其数学模型电动舵机系统的反馈装置主要有电流反馈、伺服电机转速反馈和舵面角度反馈装置。2.3.1电流反馈直流无刷电机采用两相导通的方式，即电机的三相定子绕组在某一时刻只有两相通电，因此可以采用采样直流母线电流的方法。采样电流一般有两种方式，一种是在待测电路上串入一个精密的小电阻，通过电阻的压降间接得到电流的大小；另外一种就是采

用电流传感器。2.3.2伺服电机转子位置检测及速度反馈选用的伺服电机安装有HALL传感器，除了能检测转子的位置外，还可以利用它的信号来计算电机的转速，HALL传感器信号序列如图2.4所示转子位置 60120180240300360HALL传感器1,1LW-IHALL传感器2IHALL传感器HALL传感器1,1LW-IHALL传感器2IHALL传感器3图2.4所示HALL传感器信号序列由上图可知，伺服电机每旋转360。电角度，电机的极对数为P,则三个HALL传感器共产生6P个上升沿与下降沿的电平转换信号，那么每两个电平转换之间就对应电机转子转过60。当伺服电机转速较高时，利用该方法得到的速度反馈的精度能满足控制要求；当伺服电机的转速很低时，利用该方法得到的速度反馈用于控制会出现控制输出不平滑的缺点。因此下文将提到采用编码器来得到速度反馈，以弥补该反馈方式存在的缺陷。2.3.3伺服电机转速、角度反馈以及舵面角度反馈本课题选用增量式光电编码器作为伺服电机转速、角度反馈以及舵面角度反馈元件，它具有高精度全数字化，无信号干扰和零点漂移，频率达到128ppr，并具有10—30V的宽工作电压。与同类传感器相比，具有精度高、角度测量范围大、使用可靠、易于维护等优点，本课题选用Maxon的MR增量式编码器，旋转一周产生128个脉冲。光电编码器输出的是正交编码脉冲信号，由两个频率可变、有固定1/4周期相位差的脉冲序列组成，可以通过两路脉冲的先后次序确定电机的转动方向，根据脉冲的个数和频率，就可以确定电机的角位置和角速度。对于角度反馈，通常选用精密电位计作为舵面位置检测元件，分辨率理论上为无穷小，但是其实际使用时的精度与电位计供电电源的品质具有很大的关系，作为电位计的供电电源，使得电位计的实际精度很难达到设计的技术指标。处理编码器脉冲信号时采用四分频技术，检测精度为O.7r，达不到精度指标的设计要求。于是将编码器安装于伺服电机的另一端输出轴，于是检测精度达到0.003。，完全满足控制精度的要求。但是此时编码器所测量的为伺服电机的转角，由于经过了减速机构，使得舵面的实际测量精度不够准确，而且整个系统没有绝对的零位。因此我们采用在电机轴上安装增量式编码器，在舵面上安装精密电位计，系统上电时就可以通过精密电位计的绝对零位来自动寻找舵机的home。依靠增量编码器计算离开home多远来计算舵机的绝对位置.同时通过每隔5s钟采集一次精密电位计的信号，用于系统的故障诊断。3系统的数学模型3.1.伺服放大器误差信号方程为 二 （3.1）放大电路方程为 （3.2）式中-是输入信号；-是反馈信号；-是误差信号；K-是放大倍数；-是放大器输出信号。3.2直流伺服电机TOC\o"1-5"\h\z电枢回路电压平衡方程一 （3.3）电枢反电势方程一 （3.4）电机轴上力矩平衡方程 一一 （3.5）电磁转矩方程 （3.6）式中-是电枢绕组的电感；-是电枢绕组的电阻；-是伺服放大器的等效电阻;i-是电枢绕组中的电流；-是反电势；-是反电势系数；f-粘性摩擦系数；M-是电机产生的转矩;-是负载力矩。3.3减速器（3.7）s=r （3.8）式中X-是齿条输出位移；n-是减速比；s-是电机轴的线位移；r-是电机轴半径3.4反馈电位计X （3.8）式中-是反馈系数。3.5电动舵机系统结构图综合以上各式，简化后，可建立电动舵机系统的结构图，如图3-1所示。图3.1电动舵机系统结构图4电动舵机系统仿真4.1simulink框图搭建Matlab/Simulink提供了基本的功能模块，存放在Simulink模块库中。在Matlab中运行Simulink，创建一个Model文件(fz.mdl),根据系统结构图，不考虑负载力矩M,的影响，代入相应参数后，创建了一个如图4-1所示的仿真实例,开环系统如图4.2所示。图4.1电机舵系统仿真图图4.2开环电机舵系统仿真图

4.2仿真结果可得到系统阶跃响应曲线，如图4-1示。由图可见，系统是稳定的，上升时间0.12s，超调量21.9%，振荡次数1.5次，调节时间0.663s。可得到系统bode图，如图4-2示。由图可见，幅值裕度66.1Db，相位裕度46.3deg。图4-1阶跃响应特性仿真结果图BodeOiaQiBmFrom.In1Ta:Out!SyEitm.留phaseMarjri(Jeg)吒.3PelayMergln旧图4-1阶跃响应特性仿真结果图BodeOiaQiBmFrom.In1Ta:Out!SyEitm.留phaseMarjri(Jeg)吒.3PelayMergln旧&E：DAtirMiGcncy(rn^ec):10.5Clcs-ffdLoopStahlsYes10Freqii&ncy(rad/sec)图4-2幅频特性仿真结果图GsirMargin印)c6B.1fidFr&Qjuenc^Crad/Mcj:566C Lc访p Y&i10'105结束语这次的课程设计我学习到了很多的知识，在学习的过程中发现理论知识与实践相结合的重要性，也发现了自己在知识储备上的不足，我将在在以后的学习和工作中认真学习，扎实基础，努力提高实践的能力和水平，这对将来的工作学习以及毕业设计即将有很大的帮助。本课程设计阐述了电动舵机的工作原理，并分析了舵机系统的组成，并根据导弹对舵机系统的性能要求，对各部分进行选型，并推导出各部分的传递函数，从而得到舵机系统的数学模型，并在Matlab的Simulink环境下得到舵机系