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摘 要：传统直流伺服系统均采用三闭环控制结构，即电流环、速度环与位置环。但在某些特殊场合，如舵机伺服系统，为了实现系统小型化，采用电流环与位置环双闭环控制，省去了速度环的测速电机，简化结构，降低成本。利用MATLAB/Simulink工具建立了一套新型直流伺服系统的仿真模型，根据模型，研制实物样机。依据仿真模型与实物，通过对比仿真数据与试验数据，证实该伺服系统满足使用要求，具有工程应用价值。
关键词：伺服系统；直流电机；电动舵机
中图分类号：TM33；TP273
现代战场环境日益复杂，对导弹、智能弹等制导武器提出了全新的要求，为了适应未来战争的需求，需要制导武器具有更高的精度，更好的机动性以及稳定性。而舵机作为制导与控制系统的重要组成部分和执行机构[1]，其性能的好坏直接决定着飞行过程的动态品质。
传统的直流伺服系统由电流环、速度环和位置环三部分组成。但在舵机伺服系统中，由于系统本身体积的限制，再加上系统对控制性能要求高，因此采用电流环与位置环双闭环控制结构，节省了直流电机内部的测速电机，并且，两环的控制结构在带宽上大大高于三环结构。
在新型直流伺服系统研制中，建立准确，简洁的仿真模型对研制实物样机具有重要作用，通过仿真模型检查设计参数，调整控制方案，提高研制效率。本文利用MATLAB/Simulink工具建立了一套直流伺服系统仿真模型，最后通过试验将仿真结果与试验数据进行对比，得出结论。
1 总体设计
舵机控制采用全电动舵方案，通过伺服电机控制舵机舵偏角。四个舵机控制共用一个CPU，该CPU用于接收舵偏角指令信息和实际舵偏角信息，并按照设计要求对舵偏角进行指令跟踪。
舵机系统主要由控制器和驱动机构组成，系统正常工作时，舵机控制器接受制导计算机给定的舵面偏角信号，并驱动舵面偏转，保证舵面在规定的响应时间内以一定的精度趋近给定偏角，同时将当前舵面的实际偏转角反馈给制导计算机。控制器则采用PWM控制方式，通过调整PWM脉冲宽度，实现舵面的控制。
图中，G1（S）和G2（S）分别为控制器传递函数和矫正环节的传递函数，J为折算到电动机转轴的总转动惯量，Ra为电动机内阻，KE和KT分别为电动势常数和转矩系数，TL为负载转矩。
2 系统设计实现
2.1 系统硬件设计。本文是以TI公司的32位浮点DSP芯片28335为核心，设计的舵机直流伺服系统。系统对4个舵机进行闭环控制，在接收飞控指令的同时发送实验数据到测试系统[3]。
系统主要由DSP控制单元和舵机单元构成，舵机单元还包括了驱动电路，采样电路，减速机构等。
DSP完成控制运算，数据通讯，A/D采样和PWM输出等功能。驱动功率电路实现对舵机的驱动控制。采样电路选用电位器作为位置传感器，对检测的电机电流信号，经滤波处理后，由A/D采样电路送到DSP中参与运算。伺服系统硬件结构图如图2所示。
2.1.1 位置反馈电路设计。位置反馈电路采用精密电位器反馈实际舵面位置，将舵面位置信号以直流电压信号形式输出，在电位器两端通过串联电阻进行电压限位，输出的信号通过无源RC低通滤波器进行滤波，再将反馈信号通过运算放大器进行电压跟随，对经过上述程序处理后的舵面位置信号经过A/D采样电路送到DSP中参与运算[4]。反馈采样电路如图3所示。
2.1.2 电流采样电路设计。电流采样通过电阻检测实现，利用采样电阻，将电流信号转化为电压信号，经过放大和滤波，送给DSP的A/D采样单元，转换后的电流信号用以产生控制舵机的PWM信号。
2.1.3 减速器设计。由于电动舵机系统空间小，电机自身又具有较高的转速，为了实现更好的减速效果，舵机控制系统采用二级减速机构，第一级采用电机内置减速器，第二级采用蜗轮蜗杆结构减速器。减速器的总速比为两级减速器个速比的乘积。
2.2 系统软件设计。控制器软件主要完成位置反馈信号读取、CAN协议控制、位置控制器解算等功能。
2.2.1 主程序设计。主程序主要完成的功能是循环处理舵面位置和电流数据，进行电流环与位置环的调节。主程序流程图如图4所示。
2.2.2 CAN协议控制。CAN协议控制软件主要包括CAN控制器的初始化、总线信息的接受、信息的打包发送等内容。
CAN控制器在完成初始化工作后进入正常工作模式，在正常模式中，伺服控制器采用中断方式接收总线信息，并对信息进行判断，如需应答，控制器软件对应答信息打包并发送至CAN总线。
3 系统仿真建模
伺服系统主要由电机、采样率波电路、伺服控制器和传动机构组成，其仿真模型如图5所示。
3.1 电机仿真模型。直流电机仿真模型依据电机方程[5]经拉普拉斯变换后可得，仿真模型如图6所示。
其中，U为电枢电压，La为电枢绕电感，Ra为电枢电阻，ia为电枢绕组电流，E为电机反电动势，Ke为反电动势系数，ω为电机转速，Te为电机电磁转矩，Kt为电机转矩系数，TL为负载转矩，J为电机与负载折合到电机轴上的转动惯量，B为总粘性摩擦系数。
3.2 采样滤波电路仿真模型。采样率波电路选择无源RC低通滤波器，若时间常数为2ms和1ms，其仿真模型如图7所示。
3.3 控制算法仿真模型。本文采用电流、位置双闭环结构，位置环采用PID控制方式，电流环采用电流截止负反馈。控制算法仿真模型如图8所示。
其中，EP为控制指令与舵偏角之差，I_lim为电流限位值，If为反馈电流。
3.4 传动机构仿真模型。传动机构仿真模型是根据实测空回数据，在仿真模型上建立的非线性环节。
4 仿真与试验结果对比
本文利用MATLAB/Simulink工具，在同一界面中对飞控指令、仿真数据与实测数据进行对比，用来验证系统的动态性能和仿真模型的准确度[6]。
若分别给定一个频率1Hz，幅值2°的正弦信号和一个幅值1°的阶跃信号，其响应曲线分别如图9，10所示。
图中，CH1为飞控指令，CH2为仿真曲线，CH3为实测曲线。由图可知，仿真曲线与实测曲线中存在约60ms的平顶区域，这是由于在仿真模型中考虑到实测空回，加入了非线性环节所致。
由上图可以看出，系统的跟踪性能良好，运行可靠，仿真数据与试验数据基本一致，可知，仿真模型准确。
5 结束语
本文考虑到实际舵机的设计需求，在没有降低舵机性能的基础上省略了速度环，采用电流环与位置环双闭环结构，并通过仿真数据与实测数据对仿真模型进行了验证，并通过仿真模型设计实物样机。通过实验验证，该系统满足了指标要求，并且运行稳定，可靠性高，具有一定的工程价值。
参考文献：
[1]张元.基于DSP的小型电动舵机伺服控制系统研究[D].南京：南京理工大学，2012.
[2]景涛.基于DSP的电动舵机伺服控制[J].信息技术，2013（5）：12-15.
[3]杨永亮，吴小役，赵志勤.一种电动舵机伺服系统仿真与设计[J].火炮发射与控制学报，2012，3（9）：48-50.
[4]林忠万.基于DSP的导弹舵机伺服控制系统的研究[D].西安：西北工业大学，2004.
[5]林辉，王辉.电力电子技术[M].武汉：武汉理工大学出版社，2002.
[6]黎海青，郭百巍，徐红.基于ADAMS与SIMULINK的舵机虚拟样机建模和仿真[J].系统仿真学报，2009，21（21）：6556-6888.
作者简介：陈方（1987-），女，陕西咸阳人，助理工程师，硕士研究生，主要从事伺服系统及控制算法的研究。
作者单位：西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099
关键词：伺服系统；直流电机；电动舵机
中图分类号：TM33；TP273
现代战场环境日益复杂，对导弹、智能弹等制导武器提出了全新的要求，为了适应未来战争的需求，需要制导武器具有更高的精度，更好的机动性以及稳定性。而舵机作为制导与控制系统的重要组成部分和执行机构[1]，其性能的好坏直接决定着飞行过程的动态品质。
传统的直流伺服系统由电流环、速度环和位置环三部分组成。但在舵机伺服系统中，由于系统本身体积的限制，再加上系统对控制性能要求高，因此采用电流环与位置环双闭环控制结构，节省了直流电机内部的测速电机，并且，两环的控制结构在带宽上大大高于三环结构。
在新型直流伺服系统研制中，建立准确，简洁的仿真模型对研制实物样机具有重要作用，通过仿真模型检查设计参数，调整控制方案，提高研制效率。本文利用MATLAB/Simulink工具建立了一套直流伺服系统仿真模型，最后通过试验将仿真结果与试验数据进行对比，得出结论。
1 总体设计
舵机控制采用全电动舵方案，通过伺服电机控制舵机舵偏角。四个舵机控制共用一个CPU，该CPU用于接收舵偏角指令信息和实际舵偏角信息，并按照设计要求对舵偏角进行指令跟踪。
舵机系统主要由控制器和驱动机构组成，系统正常工作时，舵机控制器接受制导计算机给定的舵面偏角信号，并驱动舵面偏转，保证舵面在规定的响应时间内以一定的精度趋近给定偏角，同时将当前舵面的实际偏转角反馈给制导计算机。控制器则采用PWM控制方式，通过调整PWM脉冲宽度，实现舵面的控制。
图中，G1（S）和G2（S）分别为控制器传递函数和矫正环节的传递函数，J为折算到电动机转轴的总转动惯量，Ra为电动机内阻，KE和KT分别为电动势常数和转矩系数，TL为负载转矩。
2 系统设计实现
2.1 系统硬件设计。本文是以TI公司的32位浮点DSP芯片28335为核心，设计的舵机直流伺服系统。系统对4个舵机进行闭环控制，在接收飞控指令的同时发送实验数据到测试系统[3]。
系统主要由DSP控制单元和舵机单元构成，舵机单元还包括了驱动电路，采样电路，减速机构等。
DSP完成控制运算，数据通讯，A/D采样和PWM输出等功能。驱动功率电路实现对舵机的驱动控制。采样电路选用电位器作为位置传感器，对检测的电机电流信号，经滤波处理后，由A/D采样电路送到DSP中参与运算。伺服系统硬件结构图如图2所示。
2.1.1 位置反馈电路设计。位置反馈电路采用精密电位器反馈实际舵面位置，将舵面位置信号以直流电压信号形式输出，在电位器两端通过串联电阻进行电压限位，输出的信号通过无源RC低通滤波器进行滤波，再将反馈信号通过运算放大器进行电压跟随，对经过上述程序处理后的舵面位置信号经过A/D采样电路送到DSP中参与运算[4]。反馈采样电路如图3所示。
2.1.2 电流采样电路设计。电流采样通过电阻检测实现，利用采样电阻，将电流信号转化为电压信号，经过放大和滤波，送给DSP的A/D采样单元，转换后的电流信号用以产生控制舵机的PWM信号。
2.1.3 减速器设计。由于电动舵机系统空间小，电机自身又具有较高的转速，为了实现更好的减速效果，舵机控制系统采用二级减速机构，第一级采用电机内置减速器，第二级采用蜗轮蜗杆结构减速器。减速器的总速比为两级减速器个速比的乘积。
2.2 系统软件设计。控制器软件主要完成位置反馈信号读取、CAN协议控制、位置控制器解算等功能。
2.2.1 主程序设计。主程序主要完成的功能是循环处理舵面位置和电流数据，进行电流环与位置环的调节。主程序流程图如图4所示。
2.2.2 CAN协议控制。CAN协议控制软件主要包括CAN控制器的初始化、总线信息的接受、信息的打包发送等内容。
CAN控制器在完成初始化工作后进入正常工作模式，在正常模式中，伺服控制器采用中断方式接收总线信息，并对信息进行判断，如需应答，控制器软件对应答信息打包并发送至CAN总线。
3 系统仿真建模
伺服系统主要由电机、采样率波电路、伺服控制器和传动机构组成，其仿真模型如图5所示。
3.1 电机仿真模型。直流电机仿真模型依据电机方程[5]经拉普拉斯变换后可得，仿真模型如图6所示。
其中，U为电枢电压，La为电枢绕电感，Ra为电枢电阻，ia为电枢绕组电流，E为电机反电动势，Ke为反电动势系数，ω为电机转速，Te为电机电磁转矩，Kt为电机转矩系数，TL为负载转矩，J为电机与负载折合到电机轴上的转动惯量，B为总粘性摩擦系数。
3.2 采样滤波电路仿真模型。采样率波电路选择无源RC低通滤波器，若时间常数为2ms和1ms，其仿真模型如图7所示。
3.3 控制算法仿真模型。本文采用电流、位置双闭环结构，位置环采用PID控制方式，电流环采用电流截止负反馈。控制算法仿真模型如图8所示。
其中，EP为控制指令与舵偏角之差，I_lim为电流限位值，If为反馈电流。
3.4 传动机构仿真模型。传动机构仿真模型是根据实测空回数据，在仿真模型上建立的非线性环节。
4 仿真与试验结果对比
本文利用MATLAB/Simulink工具，在同一界面中对飞控指令、仿真数据与实测数据进行对比，用来验证系统的动态性能和仿真模型的准确度[6]。
若分别给定一个频率1Hz，幅值2°的正弦信号和一个幅值1°的阶跃信号，其响应曲线分别如图9，10所示。
图中，CH1为飞控指令，CH2为仿真曲线，CH3为实测曲线。由图可知，仿真曲线与实测曲线中存在约60ms的平顶区域，这是由于在仿真模型中考虑到实测空回，加入了非线性环节所致。
由上图可以看出，系统的跟踪性能良好，运行可靠，仿真数据与试验数据基本一致，可知，仿真模型准确。
5 结束语
本文考虑到实际舵机的设计需求，在没有降低舵机性能的基础上省略了速度环，采用电流环与位置环双闭环结构，并通过仿真数据与实测数据对仿真模型进行了验证，并通过仿真模型设计实物样机。通过实验验证，该系统满足了指标要求，并且运行稳定，可靠性高，具有一定的工程价值。
参考文献：
[1]张元.基于DSP的小型电动舵机伺服控制系统研究[D].南京：南京理工大学，2012.
[2]景涛.基于DSP的电动舵机伺服控制[J].信息技术，2013（5）：12-15.
[3]杨永亮，吴小役，赵志勤.一种电动舵机伺服系统仿真与设计[J].火炮发射与控制学报，2012，3（9）：48-50.
[4]林忠万.基于DSP的导弹舵机伺服控制系统的研究[D].西安：西北工业大学，2004.
[5]林辉，王辉.电力电子技术[M].武汉：武汉理工大学出版社，2002.
[6]黎海青，郭百巍，徐红.基于ADAMS与SIMULINK的舵机虚拟样机建模和仿真[J].系统仿真学报，2009，21（21）：6556-6888.
作者简介：陈方（1987-），女，陕西咸阳人，助理工程师，硕士研究生，主要从事伺服系统及控制算法的研究。
作者单位：西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099