無人船電動舵機控制系統(tǒng)研究

摘要：針對無人船現(xiàn)有電動伺服系統(tǒng)存在動態(tài)響應(yīng)速度慢、控制精度差、可靠性差等缺點，利用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的控制器的特點，提出一種以位置閉環(huán)反饋控制為基礎(chǔ)的無人船電動舵機控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上添加了速度環(huán)和電流環(huán)，進一步優(yōu)化舵機控制算法。該系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)初始化、閉環(huán)控制算法、產(chǎn)生PWM信號、串口通訊收發(fā)等多種功能，從硬件和軟件兩方面構(gòu)建成舵機控制系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，所提出的位置環(huán)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)能夠滿足無人船電動舵機在穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、控制精度上的指標要求，所添加的速度環(huán)和電流環(huán)的控制器，使舵機控制系統(tǒng)在動態(tài)響應(yīng)和跟蹤性能方面都有不同程度的提升，這對于拓寬電動舵機在無人船領(lǐng)域的應(yīng)用范圍具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：無人船；電動舵機；控制系統(tǒng)；動態(tài)響應(yīng)；穩(wěn)態(tài)精度

中圖分類號：TP18 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.12.009

文章編號：1006-0316 （2024） 12-0067-06

Research on Electric Servo Control System of Unmanned Boat

GAO Zhiyuan YAN Furong WANG Chenxi

（"1."Institute of Intelligent Manufacturing， Guangdong Technology College， Zhaoqing"526100，"China;"2."Institute of Intelligent Manufacturing， Wuhan Guanggu Vocational College， Wuhan"430077， China"）

Abstract："In order to solve the problems of slow dynamic response speed， insufficient control accuracy and low reliability of existing electric servo system of unmanned ship， "an unmanned boat electric servo control system based on position closed-loop feedback control is proposed considering the characteristics of the position loop， speed loop and current loop controllers， and speed loop and current loop are added to further optimize the servo control algorithm. The system realizes various functions such as system initialization， closed-loop control algorithm， PWM signal generation， serial communication， etc. It is constructed into a servo control system from both hardware and software aspects. The test results show that the proposed position loop closed-loop feedback control system meets the requirements of the unmanned ship electric servo in terms of stability， response speed， control accuracy， and the controllers of the added speed loop and current loop enhance the dynamic response and tracking performance of the servo control system， which provides a valuable reference for expanding the application range of the electric servo in the field of the unmanned ship.

Key words：unmanned boat；electric rudder；control system；dynamic response；steady-state accuracy

無人船電動伺服舵機是將機械、電氣、數(shù)字化與自動化等學(xué)科有機結(jié)合，構(gòu)成的一種復(fù)雜機電一體化控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、維護簡單方便、可靠性高、動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在現(xiàn)代無人機、機載制導(dǎo)武器及火箭炮等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用價值和市場前景^[1-4]。

為提高電動舵機性能，學(xué)者們從不同角度對舵機進行了優(yōu)化。劉曉琳等^[5]針對飛機舵機電動伺服系統(tǒng)存在非線性干擾的問題，提出一種結(jié)合改進庫侖－粘滯摩擦補償控制與模糊自適應(yīng)準PR（Proportional Resonant，比例－微分－積分－諧振）控制的復(fù)合控制策略，有效改善常規(guī)庫侖－粘滯模型的平滑度，進一步提升了舵機的控制精度。黃健偉等^[6]為降低外界未知干擾對電動舵機控制系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，提出一種四階負載轉(zhuǎn)矩擴張觀測器，有效降低系統(tǒng)控制誤差。張陽等^[7]為解決舵機在反操縱力矩作用下出現(xiàn)的抖動、收斂慢等問題，提出一種帶超前校正環(huán)節(jié)的數(shù)字PID（Proportional- Integral-Derivative，比例－積分－微分）控制方法，進一步提高舵機的跟隨特性和穩(wěn)定性。Jian等^[8]在控制器的基礎(chǔ)上添加反步自適應(yīng)控制方法，對控制進行補償，但無法做到對擾動量的反饋補償。Lin等^[9]提出一種自適應(yīng)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，對采集的參數(shù)進行實時計算，從根本上降低了控制參數(shù)的浮動。而對于小型電動舵機在無人船上的應(yīng)用中存在動態(tài)響應(yīng)速度慢、控制精度差、可靠性差等缺陷，即使學(xué)者就舵機的跟蹤性能與動態(tài)性能進行了大量研究和探討，但尚未得到統(tǒng)一高精度、高穩(wěn)定性的控制方法。為此，本文就小型電動舵機在無人船上的應(yīng)用，對其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、控制精度等指標進行優(yōu)化分析，提出一種以位置閉環(huán)反饋控制算法為基礎(chǔ)的無人船電動舵機控制系統(tǒng)，并對其進行優(yōu)化，最后以相關(guān)試驗進行驗證。

1 控制系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

舵機控制系統(tǒng)主要組成如圖1所示^[10]。

無人船電動舵機控制系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下，船上計算機通過RS422通訊實時發(fā)送舵機的調(diào)整指令信號，電動舵機接收調(diào)整指令并對該指令信號進行計算和處理，實現(xiàn)對有刷直流電機運動的控制，進而驅(qū)動舵翼進行偏轉(zhuǎn)。同時，伺服控制器還將調(diào)節(jié)過程中通過角度傳感器測量得到的舵偏角度值反饋至船上計算機，形成一個閉環(huán)控制。

1.2 傳動機構(gòu)設(shè)計

舵機的傳動機構(gòu)主要由滾珠絲杠或者錐齒輪、有刷減速電機、角度傳感器以及結(jié)構(gòu)件組成^[11-12]。整個控制系統(tǒng)通過控制電機的運動，驅(qū)動滾珠絲杠副的螺母沿著絲桿做軸向往復(fù)運動，利用搖臂機構(gòu)驅(qū)動舵軸旋轉(zhuǎn)，進而使安裝在舵軸上的舵翼一起做旋轉(zhuǎn)往復(fù)運動。角度傳感器放置在舵軸的另一端，能夠?qū)崟r測量和反饋舵翼偏轉(zhuǎn)的角度，實現(xiàn)高精度、高可靠性和高響應(yīng)的控制要求。

1.3 控制器的設(shè)計

在控制器的設(shè)計中，需要保證電動舵機具有高精準控制和高可靠性^[13-14]。因此采用位置閉環(huán)控制策略，其具有算法簡單、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高的優(yōu)點，具體公式為：

u₁（k）＝K_pp×c"""""""""""""""""""""（1）

式中：u₁（k）為位置環(huán)輸出；K_pp為位置相關(guān)的比例調(diào)節(jié)系數(shù)；c為校正算法運算后的位置誤差量。

1.4 控制器的優(yōu)化

為進一步提升控制器的控制精度和快速響應(yīng)性，并降低超調(diào)量，在原有位置環(huán)的基礎(chǔ)上添加速度環(huán)和電流環(huán)。其中，速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，以提高其抗擾動性能，具體公式為：

u₂（k）＝K_pS×e₁（k）＋K_iS×e_S""""""""""（2）

式中：u₂（k）為速度環(huán)輸出；K_pS為速度相關(guān)的比例調(diào)節(jié)系數(shù)；e₁（k）為速度誤差量；K_iS為速度相關(guān)的積分調(diào)節(jié)系數(shù)；e_S為速度累計誤差。

電流環(huán)主要用于動態(tài)調(diào)節(jié)過程中的超調(diào)，進一步校正控制系統(tǒng)的正常跟隨與動態(tài)響應(yīng)。具體公式為：

u₃（k）＝K_pI×e₂（k）＋K_iI×e_I"""""""""""（3）

式中：u₃（k）為添加了電流環(huán)的速度環(huán)輸出；K_pI為與電流相關(guān)的比例調(diào)節(jié)系數(shù)；e₂（k）為電流誤差量；K_iI為電流相關(guān)的積分調(diào)節(jié)系數(shù)；e_I為與電流相關(guān)的速度累計誤差。

2 硬件設(shè)計

2.1 電機功率驅(qū)動電路設(shè)計

電機功率驅(qū)動電路設(shè)計采用AT8236直流有刷驅(qū)動器，4個單通道電機分別單獨由AT8236驅(qū)動器進行驅(qū)動。通過STM32產(chǎn)生PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）信號控制驅(qū)動器內(nèi)部的MOS管，實現(xiàn)對直流電機的H橋轉(zhuǎn)動控制，具體電路如圖2所示。

2.2 舵偏角處理電路

舵偏角通過高精度角度傳感器采集輸出模擬電壓量，采集信號通過SGM80581組成的運放電路對角度信號進行處理，將處理后滿足要求的模擬信號送至A/D轉(zhuǎn)換芯片。舵偏角處理電路如圖3所示。

2.3""A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路采用瑞盟MS5182模數(shù)轉(zhuǎn)換器。MS5182是一款4通道、16位的AD芯片，使用SPI接口實現(xiàn)寄存器配置和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的 接收。

3 軟件設(shè)計

舵機控制系統(tǒng)的軟件程序主要由主控制程序和中斷控制程序兩部分組成。STM32控制程序采用C語言編寫。軟件程序的具體流程如圖4所示。

主控制程序首先進行系統(tǒng)及變量初始化和上電自檢，初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、GPIO初始化、PWM定時器初始化、串口初始化、SPI初始化等過程；接著進行定時器中斷時間配置；最后進入程序主循環(huán)，主循環(huán)對船上計算機的指令進行解析，并將對應(yīng)結(jié)果回傳給船上計 "算機。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 控制系統(tǒng)快速性能測試

為驗證和測試電動舵機控制系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)態(tài)精度，利用測試設(shè)備模擬信號給舵機控制信號發(fā)送階躍激勵信號，并接受舵偏的反饋信號。為驗證控制系統(tǒng)的性能，發(fā)送幅值大小為±15°的階躍激勵信號，在測試系統(tǒng)上得到模擬信號的輸入信號曲線和4個通道的輸出信號曲線，如圖5所示。

對±15°階躍測試數(shù)據(jù)進行快速響應(yīng)性及穩(wěn)定性分析，得到位置環(huán)控制器的分析數(shù)據(jù)，再在位置環(huán)基礎(chǔ)上，添加速度環(huán)和電流環(huán)控制器，得到優(yōu)化后的分析數(shù)據(jù)，如表1所示。可以看出，在±15°階躍信號激勵下，優(yōu)化前，試驗測得控制系統(tǒng)的相關(guān)指標為：最大調(diào)節(jié)時間38.6"ms，最大超調(diào)量1.4%，最小舵偏角速度336.4"（°）/s；優(yōu)化后，測得相關(guān)指標為：最大調(diào)節(jié)時間35.6"ms，最大超調(diào)量1.2%，最小舵偏角速度346.5"（°）/s。對比可得，位置環(huán)控制器在添加速度環(huán)和電流環(huán)后，舵機的性能在動態(tài)響應(yīng)方面都有不同程度的提升，進一步驗證了控制器算法優(yōu)化的正確性和可行性。

4.2 系統(tǒng)跟蹤性能測試

為驗證和測試舵機控制系統(tǒng)的跟蹤性能，在測試設(shè)備的條件下，模擬舵機控制指令信號，發(fā)送頻率1～50"Hz、掃頻步數(shù)20步、每個頻率波形數(shù)為5、±1°的正弦波掃頻指令。測試舵機閉環(huán)系統(tǒng)輸入1°舵偏角幅值掃頻信號，分析輸出幅頻特性下降至-3"dB時的頻率，輸出相頻特性滯后90°時的頻率，得到位置環(huán)控制器的跟蹤性能數(shù)據(jù)。然后在同樣的設(shè)備和工況下，添加速度環(huán)和電流環(huán)控制器，再次得到在速度環(huán)和電流環(huán)控制器的跟蹤性能數(shù)據(jù)。

兩組數(shù)據(jù)對比如表2所示。可以看出，舵機系統(tǒng)的四個通道在±1°正弦波掃頻激勵下，優(yōu)化前，最小幅頻帶寬33.4"Hz、最小相頻帶寬32.5"Hz；優(yōu)化后，最小幅頻帶寬38.3"Hz、最小相頻帶寬35.7"Hz。測試結(jié)果驗證控制的策略方法有效。

為進一步驗證舵機跟蹤性能的有效性和正確性，通過試驗測試舵機其中一個通道的具體波形及走勢曲線，對該通道輸入±1°正弦波掃頻激勵工況，得到實驗結(jié)果曲線如圖6所示。可以看出，控制系統(tǒng)添加速度環(huán)和電流環(huán)后，舵機的跟蹤性能明顯提升，進一步驗證了該方法的有效性。

5 總結(jié)

本文提出一種以無人船為控制對象的舵機控制系統(tǒng)方案。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間、最大超調(diào)量、舵偏角速度、延遲時間和帶寬均滿足性能指標要求，驗證了舵機控制系統(tǒng)在響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、控制精度等方面的性能。

同時，在位置環(huán)基礎(chǔ)上、添加速度環(huán)和電流環(huán)的控制器在動態(tài)響應(yīng)和跟蹤性能方面都有不同程度的提升，這對于拓寬電動舵機在無人船領(lǐng)域的應(yīng)用范圍具有一定的參考價值。

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