直控式電動舵機教學實驗系統設計

劉 濤，王明輝，杜宏旺

直控式電動舵機教學實驗系統設計

劉 濤，王明輝，杜宏旺

（哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

設計開發了直控式電動舵機教學實驗系統。采用STM32Cortex-M4單片機作為控制核心，設計實現了直接控制式電動舵機的位置閉環控制系統。詳細介紹了實驗系統的設計方案、設計任務、硬件組成、數學建模和仿真設計，開發了基于LabWindows的上位機軟件界面，實現控制指令輸入和動態測試。該系統采用模塊化的軟硬件方案，有助于深入學習電動舵機閉環控制、STM32單片機、上位機設計等知識，提高了學生知識綜合運用能力和實踐動手能力，獲得了良好的實踐教學效果。

電動舵機；位置閉環控制；教學實驗系統

舵機是導彈及飛行器的重要執行部件[1-2]，舵機的技術參數很大程度影響了導彈的操縱性能。電動舵機具有制造成本低、結構比較緊湊、經濟性好、維護容易、性價比高等優點，因而很多飛行器選擇電動舵機作為飛行控制系統的執行元件。目前使用的電動舵機主要有直控式電動舵機和間接控制式電動舵機兩大類。間接控制式電動舵機采用磁粉離合器作為執行元件，磁粉離合器長時間工作容易出現磁粉硬化和失效；直接控制式電動舵機一般由直流力矩電機、測速發電機、減速器及反饋電位計等組成，具有結構簡單、效率高、響應快速等優點[3-4]。

本文構建了完整的直控式電動舵機教學實驗系統。以STM32Cortex-M4[5]單片機作為控制核心開發實驗教學儀器，有助于學生學習電動舵機組成控制原理，學習STM32單片機及嵌入式相關知識，有助于學生開展研究型、創新型實驗。自主研發功能全面的實驗設備大大降低實驗成本，可提供完全開源的軟硬件體系，并且能夠激發學生自主創新能力。

1 直控式電動舵機計算機控制實驗系統總體設計

1.1 控制系統的設計

設計的直控式電動舵機計算機控制系統原理框圖見圖1。

圖1 控制系統原理框圖

本系統通過上位機設定舵機旋轉角度，中央控制器接收上位機設定的角度后，輸出一定的PWM波到功率放大器上，通過功率放大器將其放大后輸出到力矩電機上，使力矩電機發生轉動，經過減速器傳動，使舵機轉動到給定的角度；系統通過電位計將轉動的角度信號傳到中央控制器上，經過A/D轉換，進行舵機的位置閉環控制，將電位計反饋的角度信號實時地傳輸給上位機，完成上位機的實時角度顯示與位置反饋圖形顯示。

上位機界面上提供位置指令輸入、PID參數調整、動態響應曲線繪制、系統歸零、數據保存等功能。

1.2 實驗教學系統的硬件組成

直控式電動舵機教學實驗系統（見圖2）主要由執行機構、機械運動結構、反饋裝置、功率放大器、中央控制器組成。設計完成的直控式電動舵機教學實驗系統中直控式電動舵機機械結構見圖2(a)，電動舵機控制與測試系統面板見圖2(b)。

執行機構采用稀土永磁直流力矩電機，型號為70LCX-1-HKD，機組有扭矩高、調速特性號、退磁弱、機械特性好、輸出穩定、振動小、體積小等優點。在電動舵機位置閉環控制系統中，減速器是傳動裝置重要的組成部分之一，選用PL80L2-32-P2-S2減速機作為直控式電動舵機教學實驗系統的機械運動結構。測速發電機作為速度反饋，選用WDD35型電位計作為系統的位置反饋裝置。設計采用的功率放大器是典型的H橋功放[6]。中央控制器設計采用STM32開發板，STM32系列開發板是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而專門設計的ARM Cortex-M3內核[7]。上位機系統設計采用LabWindows作為上位機的編輯軟件，完成對電動舵機控制系統的指令輸入和動態測試。

圖2 電動舵機控制與測試系統

2 直控式電動舵機的控制系統軟件設計和仿真

2.1 控制系統上位機設計

直控式電動舵機的上位機人機界面程序流程如圖3所示。直控式電動舵機的主體程序包括兩部分，分別是人機界面部分和底層控制部分，上下位機通過串口來完成數據通信。

圖3 人機界面程序流程圖

上位機部分實現參數設定、傳輸以及實時舵偏角度接收與顯示，下位機底層程序實現設定參數的接收、位置閉環控制、實時舵偏數據的發送。

在開啟上位機系統之后，首先判斷是否需要輸入PID參數，點擊設定按鈕就會將參數傳輸給下位機，系統默認的PID參數可以進行運算，參數設定完成之后就需要設定舵機的給定旋轉角度或者正弦輸入。底層程序會根據設定的PID參數以及控制指令，實現閉環控制，若開啟舵偏參數接收，就將電位計的參數實時傳輸給上位機系統用于系統實時舵偏顯示。

2.2 下位機實現

直控式電動舵機控制系統的底層實現了舵機的位置閉環。底層控制程序流程圖如圖4所示。上位機將PID參數和指令信息通過串口發送給下位機后，下位機接收上位機傳輸的參數，PID參數用于閉環反饋控制的計算，反饋舵偏角通過AD轉換，測速發電機的速度信息通過分壓隔離變換、AD接口送到單片機，STM32單片機輸出PWM波到H橋功率放大器，控制直流電機轉動，直流電機帶動行星減速器運動。電位計輸出傳送到上位機實現舵偏動態顯示。

圖4 底層控制程序流程圖

2.3 控制系統仿真驗證

對直控式舵機位置閉環進行系統建模、仿真設計，根據系統各組成部分的傳遞函數和PID控制算法的設計參數，利用Simulink對系統在空載狀態下進行仿真[8-10]，系統的仿真模型見圖5。

圖5 系統仿真模型

設置2組不同的PID參數，設置系統的輸入的舵偏角階躍信號為60°，得到對應2組PID參數控制的系統輸出曲線見圖6。

圖6 輸入的階躍信號為60°的輸出響應曲線

3 實驗系統性能測試

上位機與下位機之間的通信通過串口進行數據接收與發送[11-12]，如圖7所示，先打開上位機界面上的2個開關，在控制參數設定部分，設定位置環的PID參數，發送給下位機；再通過在上位機舵偏設定輸入一個舵偏角，點擊設定按鈕后，舵機會旋轉到上位機所設定的角度，點擊接收按鈕，通過電位計反饋的信號顯示舵機的實時的偏轉，指針會指向到舵機旋轉角度的位置，并在右下角顯示儀表指向位置的數值。這樣對電動舵機控制系統的指令輸入和動態測試就已經完成。例如在下面的實驗教學操作中，先設定好PID參數后將系統歸零，待舵偏角歸零后，依次設定舵機旋轉角度為40°，–40°，20°，最終得到如圖7所示動態測試結果，符合設計的要求，實驗系統動態性能測試成功，實現了對直控式舵機的位置閉環控制和上位機的指令輸入和動態測試，點擊退出按鈕，退出當前的上位機界面。

圖7 系統動態性能測試

4 教學應用及效果

直控式電動舵機教學實驗系統自2015年研制，經過不斷改進和優化，作為主要儀器設備支撐探測制導與控制技術專業本科生的專業綜合實驗課程，已服務本科生實驗教學3年。該實驗課程主要包括電動舵機控制與測試實驗項目、慣性測量單元項目、導彈姿態控制半實物仿真、導彈制導控制半實物仿真等。電動舵機控制與測實驗項目具有開放性、研究性、綜合性、創新性等特點。該實驗儀器服務于探測制導與控制技術本科生實驗、課程設計、畢業設計等，同時為后續的舵機測試實驗項目的研發提供硬件支撐，也作為導彈半實物仿真實驗系統構成的主要設備。該實驗設備為本科生提供了一種基于嵌入式的電機閉環控制調試實驗平臺。

5 結語

直控式電動舵機教學實驗系統可以作為給本科生專業實驗的設備，有助于學生深入了解電動舵機的結構、閉環控制原理、上位機界面設計、PID控制參數整定、電動舵機的動態響應等知識，為本科生的學習和實驗提供了良好的教學條件，對于培養學生的創新能力和工程實踐能力具有重要意義。

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Design of teaching experiment system for direct-controlled electric steering gear

LIU Tao, WANG Minghui, DU Hongwang

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

A teaching experiment system of direct-controlled electric steering gear is designed and developed. The STM32Cortex-M4 MCU is used as the control core to design and implement the position closed-loop control system of the direct-controlled electric gear. The design scheme, design task, hardware composition, mathematical modeling and simulation design of the experimental system are introduced in detail. The upper computer software interface based on LabWindows is developed, which can realize control instruction input and dynamic test. This system adopts the modular software and hardware scheme, which is helpful for students to further study the knowledge of the closed-loop control of the electric steering gear, STM32 single-chip computer, upper computer design, etc., which improves students’ comprehensive knowledge application ability and practical ability, and achieves good practical teaching effect.

electric steering gear; position closed-loop control; teaching experiment system

TJ760.3-45

A

1002-4956(2019)11-0084-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.021

2019-04-01

國家自然科學基金項目（51409059）；黑龍江省博士后科研啟動金項目（LBH-Q16066）；中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目（3072019CF0409）資助；哈爾濱工程大學2018年校級本科教學改革研究項目（JG2018B19Z）

劉濤（1979—），男，遼寧法庫，博士，講師，主要從事制導與控制系統及視覺感知研究。E-mail:liutao@hrbeu.edu.cn