一種微小型電動舵機設計仿真與試驗

楊超凡，聶振金，郭 鵬

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

一種微小型電動舵機設計仿真與試驗

楊超凡，聶振金，郭 鵬

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

為滿足微小型導彈用舵機體積小、質量小、響應快的特點，設計了一種高可靠性、高靈敏度、低成本、小型化的電動舵機伺服系統。經建模仿真和試驗驗證，該系統滿足快速性、線性度、頻帶寬度等方面的指標，為舵機小型化設計及導彈微小型化設計奠定基礎。

微小型；電動舵機；建模仿真；實驗驗證

0 引 言

現代軍事偵查多采用體型小、價格低廉的無人機，由于載重能力有限，缺少專門的武器，小型無人機在發現目標后不能及時對其進行有效打擊，從而喪失主動權，而打擊目標也可能是廉價的偽目標。因此，低成本、微小型導彈成為無人機的最佳武器。同時，低成本微小型導彈也適合單兵攜帶、車載、小型直升機掛載，甚至在海洋護航打擊海盜快艇和反無人機方面具有一定的潛力[1]。近年來，美國已擁有一系列小型化彈藥，包括微小型導彈、制導火箭彈、制導炸彈等，中國在彈藥小型化道路上也取得了一定的成果，但與美國還有很大的差距。

本文提出了一款高可靠性、高靈敏度、低成本、小型化的電動舵機伺服系統。艙體內需要裝入4個獨立舵機，由于其性能指標高、體積小且四路分舵，從而增加了舵機設計研制的難度。

導彈用舵機工作時接收信號主要分2種[2]：a）導引頭指令信號：低頻大幅值，要求位置跟蹤良好，有較小的位置回環寬度；b）自動駕駛儀姿態控制信號：高頻小幅值，要求舵機快速性較好，小角度、高頻率位置跟蹤能力強，有良好的動態性能，即帶寬指標較高。

本文所設計舵機的性能指標如下：在0.2 N·m/(°)的彈性負載下，3°階躍響應上升時間不大于30 ms；1°，25 Hz正弦指令，幅頻衰減大于-3 dB，相頻衰減大于-90°；在0.1 N·m/(°)彈性負載下，15°，0.05 Hz正弦指令跟隨位置回環寬度不大于0.1°。

1 電動舵機工作原理及方案設計

1.1 電動舵機工作原理

電動舵機系統由舵機控制器、驅動器、電動舵機組成，其中電動舵機由伺服電機、減速器及位置傳感器構成。電動舵機是導彈等制導武器的執行系統，根據彈上計算機發出的指令，由舵機控制器根據指令信號分析運算，輸出相應的電信號給驅動器，驅動器經放大驅動伺服電機轉動，電機經減速器帶動輸出軸轉動或作動桿平動來實現帶動舵面轉動或推動發動機擺動，經位置傳感器反饋形成位置閉環的伺服系統，如圖1所示。

圖1 電動舵機系統工作原理

1.2 電動舵機總體方案設計

根據設計要求，實現小直徑艙體內裝入4個舵機使舵機結構小型化成為必然。

在電動舵機設計時，電機和減速器分開設計，必須選用工業上的成熟產品實現低成本。由于外形尺寸限制，要實現小體積、高比功率就意味著要選用比功率高的直流無刷電機，電機的體積小、功率高必然導致電機轉速高，根據設計要求選用功率為12 W，空載轉速26 600 r/min，額定轉速21 700 r/min，額定轉矩5.44 mN·m的電機。

減速器依托現有工業產品進行設計，電機的高轉速、低扭矩輸出要求設計較大減速比的減速器，在有限空間內實現大減速比增加了設計難度。根據現有產品樣本，通過選型計算及綜合設計計算，行星減速器、蝸輪蝸桿減速器、諧波減速器在減速比較大時，傳動效率低，體積較大，不能很好地滿足設計要求，這3種減速器共同的缺點是不利于在小直徑圓筒內設計布局。絲杠傳動效率高、承載能力強、體積較小，屬細長體，更適合在小直徑圓筒中布局，最終選擇滾珠絲杠作為主要傳動減速結構，提高了減速比及傳動效率。由于要實現的減速比約為530，故增加兩級齒輪減速，為了保證傳動效率，絲杠減速部分盡量分配較大的減速比，傳動原理如圖2所示。

圖2 舵機傳動原理

設計結構要綜合考慮空間利用率、加工工藝性及裝配工藝性。為了方便裝配，結構模塊清晰，可減少舵機軸向長度，使電機和絲杠平行放置，增加了絲杠角接觸軸承之間的跨距，使軸承體積減小。為了減小電機安裝后退量，將電機和齒輪減速設計成獨立減速結構，使絲杠減速成為獨立組件，裝配思路清晰，機加工藝可以大大簡化，降低了成本。為了節約空間，使整個結構更緊湊，采用直線型電位計測量絲杠螺母平動，實現位置閉環。絲杠和電機均為細長體，因此采用板片直線型電位計作為位置傳感器更節省空間，使整體結構更緊湊。但由于電位計測得的不是輸出軸實際的擺角，與實際輸出角度還有因傳動間隙導致的偏差，因此要控制好最后絲杠螺母與撥叉之間的傳動間隙，根據設計計算完全滿足設計要求。

利用Creo2.0軟件三維建模，舵機整體結構、四路舵機裝艙結構如圖3所示。

圖3 舵機結構布局

2 舵機數學建模

2.1 電機數學模型

電機定子電壓平衡方程[3]：

電機轉子力矩平衡方程：

式中 u為相電壓；ia為相電流；ra為繞組平均電阻；e為繞組反電動勢；ω為機械角速度；Ke為反電動勢系數；KT為轉矩系數；Te為電磁轉矩；TL為負載轉矩；B為粘滯阻尼系數；J為電機轉子及負載的轉動慣量；L為電機電感。

對式（1）～式（4）進行拉普拉斯變換，并令全部初始條件為零，聯立并整理可得電機角速度傳遞函數：

式中 G1(s)為電壓-角速度傳遞函數；G2(s)為負載轉矩-角速度傳遞函數；La為繞組平均電感。

由式（5）～（7）可得出直流電動機的動態結構，如圖4所示。

圖4 直流電機的數學模型

2.2 傳動機構數學模型

傳動機構分為：齒輪傳動和絲杠傳動。齒輪傳動為兩級傳動，減速比分別為

式中 i1為第1級齒輪減速比；i2為第2級齒輪減速比；z1為第1級減速小齒輪齒數；z2為第1級減速大齒輪齒數；z3為第2級減速小齒輪齒數；z4為第2級齒輪減速大齒輪齒數。

絲杠傳動原理如圖5所示，齒輪轉動帶動絲杠轉動，由于絲杠螺母轉動被限，從而螺母平動帶動撥叉轉動，實現轉動減速輸出。

圖5 絲杠減速原理

絲杠導程為P，轉速為ns，角速度為ωs，螺母平移速度為vp，輸出軸與絲杠距離為R，角速度為ωd，當輸出軸偏離零位角度為α時，運動分析可得：

由式（8）～式（10）可得絲杠減速比is：

由于舵機工作角度α最大不超過15°，則tan2α≤0.07，而舵機實際工作主要角度在3°以內，此時tan2α≤0.002 7，因此式（11）可簡化為本舵機絲杠導程P=1 mm，撥叉半徑R=18 mm，綜上可得總傳動比為i=i1.i2.is=530.7。

2.3 舵機系統建模

利用Matlab中Simulink建模，根據電機參數搭建電機模型，在此基礎上構建整個閉環系統，調節PID參數使系統滿足設計要求。舵機系統如圖6所示。

圖6 舵機系統

3 仿真與試驗

3.1 系統仿真

圖7為3°暫態響應曲線，上升時間為24 ms，小于設計要求的30 ms，有微小超調約0.05°。15°，0.05 Hz位置特性曲線及位置回環曲線如圖8所示。其中，圖8a為正弦曲線跟蹤一周期曲線，由圖8a可知，舵機系統跟隨性能很好；圖8b為位置跟蹤回環曲線，由圖8b可知，舵機線性度較好，位置回環寬度最大不到0.04°，滿足設計要求。

舵機頻率特性影響舵機的動態性能及彈體的飛行品質，對舵機進行1°舵偏正弦指令和0.2 N·m/(°)彈性負載掃頻仿真，頻率特性曲線如圖9所示。由圖9可以看出，幅頻有微弱的諧振峰，在157 rad/s幅值衰減為-0.590 6 dB，相位滯后約-64.55°，滿足25 Hz（相移≤90°，增益≥-3 dB）的動態特性要求。

圖7 3°暫態響應曲線

圖8 15°位置特性曲線

圖9 頻率特性曲線

3.2 試 驗

根據1.2節中總體方案設計，出圖加工裝配成整機如圖10所示。該舵機采用數字控制，由測試儀發送數字信號指令，舵機控制器根據接收到的指令對機構進行運動控制，采集電位計反饋信號，并實時傳輸給測試儀繪制成曲線。

圖10 舵機實物

圖11為舵機3°暫態實測曲線，舵機有0.08°超調，上升時間實測為26 ms，與仿真結果較吻合，滿足設計要求。

圖11 3°暫態曲線

圖12為舵機位置特性試驗曲線。圖12a為15°，0.05 Hz正弦跟隨曲線，指令曲線與跟隨曲線基本重合，反饋信號幅值跟隨誤差約為0.05°，最大延時約6 ms，位置跟隨試驗效果與仿真基本相同；圖12b為位置回環曲線，實測數據處理線性度為0.02%（要求不大于5%），最大位置回環寬度為0.07°（要求不大于0.1°），與仿真曲線一致。

圖12 位置特性曲線

在0.2 N·m/(°)彈性負載下，通過輸入幅值為1°，不同頻率的正弦指令進行掃頻試驗，得出如圖13所示的舵機頻率特性曲線，其中頻率為157 rad/s（25 Hz）時，幅值衰減為-1.004 dB，相位滯后為-72.4°，滿足設計要求。

由圖13可以看出，諧振峰比仿真曲線要明顯，由于試驗的實際舵機機構內部存在一定的間隙和運動摩擦，實際電機和負載模型與實際仿真有差異，使得實際試驗測試數據和仿真有一定差異，但與仿真數據曲線基本吻合，滿足設計要求。

經過高低溫試驗、隨機振動試驗、低氣壓試驗、陸上模擬運輸振動試驗、無人機模擬掛飛振動試驗、沖擊試驗和加速度試驗等試驗考核，舵機均能出色地滿足各項設計指標，證明了舵機的高可靠性。

圖13 頻率特性曲線

4 結 論

本文通過對微小型舵機設計、建模、仿真與試驗，設計了一款高可靠性、高靈敏度、低成本、小型化的電動舵機伺服系統，證明了本設計方案與原理的正確性和可行性，給出了舵機性能曲線和微小型舵機的設計方法，為舵機小型化設計及導彈微小型化設計打下了基礎。

[1] 叢敏, 張嬋. 國外微小型導彈發展現狀[J]. 飛航導彈, 2011(10): 1-8.

[2] 高新緒. 電動伺服系統中減速器最佳傳動比的選擇[J]. 航空兵器, 1994(5): 19-23.

[3] 劉彬. 舵機用無刷直流電機控制系統研究[D]. 西安: 西北工業大學, 2004.

[4] 羅麗, 羅艷偉, 賈鑫. 低成本捷聯微小型導彈關鍵技術研究[J]. 飛航導彈, 2013(6): 24-28.

[5] 莊凱. 永磁無刷直流電機控制系統設計[D]. 重慶: 重慶大學, 2006.

[6] 叢爽, 李澤湘. 實用運動控制技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 2006.

[7] 汪軍林, 解付強, 劉玉浩. 導彈電動舵機的研究現狀及發展趨勢[J].飛航導彈, 2008(3): 42-46.

[8] 郭宏, 邢偉. 機電作動系統發展[J]. 航空學報, 2007, 28(3): 620-627.

Simulation and Experiment of One Micro Electromechanical Actuator’s Design

Yang Chao-fan, Nie Zhen-jin, Guo Peng
(Beijing Research Institute of Precise Mechatronics and Controls, Beijing, 100076)

To meet the characteristics that small size, light weight and fast response of the electromechanical actuator which is used by micro missiles, this paper has been designed one electromechanical actuator servo system with high reliability, high sensitivity, low cost and miniaturization. On the basis of modeling, simulation and experimental verification, this system meets the requirements of the indicators such as rapidity, linearity and frequency bandwidth fantastically. It lays the foundation for the design of miniaturized actuator and micro missile.

Small size; Electromechanical actuator; Modeling and simulation; Experimental verification

V421.6

A

1004-7182(2016)05-0087-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160518

2016-05-20；

2016-07-01

楊超凡（1989-），男，助理工程師，主要研究方向為戰術武器機電伺服系統