電機(jī)舵課程設(shè)計

舵機(jī)是航空航天器飛行控制系統(tǒng)中一個不可缺少的重要組成部分，它是控制器的一個施力裝置，根據(jù)控制器的指令產(chǎn)生相應(yīng)的力和力矩，來操縱導(dǎo)彈舵面導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)和軌跡的控制。因此，舵機(jī)系統(tǒng)的性能好壞直接影響著飛行控制系統(tǒng)的性能和飛行安全。Matlab/Simulink軟件模塊，是具有動態(tài)建模、仿真及綜合分析功能的高性能軟件包。它為用戶提供了一個非常友好的仿真環(huán)境，支持連續(xù)、離散和混合的線性、非線性系統(tǒng)，并且為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，還包括了眾多的線性和非線性環(huán)節(jié)，使用極為方便。采用Matlab/Simulink模塊對舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，無論對其性能分析，還是系統(tǒng)輔助設(shè)計，都有重要的意義。關(guān)鍵詞：電機(jī)舵；伺服直流電機(jī)；控制電機(jī)目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1電動舵系統(tǒng)1\o"CurrentDocument"1.1電動舵機(jī)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀1\o"CurrentDocument"1.2電動舵機(jī)系統(tǒng)的組成1\o"CurrentDocument"1.3電動舵機(jī)系統(tǒng)的工作原理2\o"CurrentDocument"2電動舵機(jī)系統(tǒng)器件3\o"CurrentDocument"2.1伺服電機(jī)選型3\o"CurrentDocument"2.2減速器4\o"CurrentDocument"2.3反饋裝置及其數(shù)學(xué)模型52.3.1電流反饋52.3.2伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測及速度反饋62.3.3伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速、角度反饋以及舵面角度反饋6\o"CurrentDocument"3系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型8\o"CurrentDocument"3.1.伺服放大器8\o"CurrentDocument"3.2直流伺服電機(jī)8\o"CurrentDocument"3.3減速器9\o"CurrentDocument"3.4反饋電位計9\o"CurrentDocument"3.5電動舵機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖9\o"CurrentDocument"4電動舵機(jī)系統(tǒng)仿真11\o"CurrentDocument"4.1simulink框圖搭建11\o"CurrentDocument"4.2仿真結(jié)果12\o"CurrentDocument"5結(jié)束語13\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)14\o"CurrentDocument"致謝151電動舵系統(tǒng)1.1電動舵機(jī)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀舵機(jī)作為伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭等飛行器，由于這些現(xiàn)代的飛行器要求其控制系統(tǒng)具有高精度.高靈敏度和高可靠性，因此對舵機(jī)的性能提出了更高的要求，促使舵機(jī)向著質(zhì)量、體積不斷減小，承載能力不斷增強(qiáng)控制性能不斷提高的方向發(fā)展，于是新型高性能舵機(jī)的研究和開發(fā)引起了各國軍方和科研機(jī)構(gòu)的極大關(guān)注。根據(jù)動力源的不同，常用的舵機(jī)系統(tǒng)可分為液壓舵機(jī)、氣動舵機(jī)及電動舵機(jī)。此外為了增加舵機(jī)系統(tǒng)的可靠性，出現(xiàn)了冗余設(shè)計的舵機(jī)，但是其體積重量較大，因此我們在此不做討論。傳統(tǒng)的火箭和導(dǎo)彈都是采用液壓舵機(jī)或氣動舵機(jī)，但此類舵機(jī)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高.質(zhì)量大、成本高，技術(shù)難度大。電動舵機(jī)與它們相比，具有結(jié)構(gòu)簡單.加工裝配容易、線路鋪設(shè)、制造維修及改裝方便等特點(diǎn)，還可以與飛行控制系統(tǒng)使用同一種能源，且易實(shí)現(xiàn)余度控制，可靠性高。雖然國內(nèi)在電動舵機(jī)領(lǐng)域投入了很大的研究力度，也取得了顯著的成果。但與國外相比，我國在電動舵機(jī)的研究及廣泛應(yīng)用等方面都還存在較大差距，我國對直流無刷電機(jī)的關(guān)鍵性控制技術(shù)的研究直到上世紀(jì)八十年代才開始起步，另外，高精度、大力矩的無刷直流電機(jī)的制造等精密加工技術(shù)上也與國外存在較大差距。目前，這方面國內(nèi)某航天研究所處于領(lǐng)先地位，但是其生產(chǎn)的某型電動舵機(jī)采用的是直流有刷電機(jī)，導(dǎo)致在要求的同等體積下，與采用直流無刷電機(jī)相比，輸出力矩較小，僅適用于小型的飛行器，不能很好的滿足本課題對舵機(jī)的性能要求。對于由無刷直流電機(jī)構(gòu)成的大輸出力矩的電動舵機(jī)系統(tǒng)，國內(nèi)在這方面目前基本還處于空白.同時由于大力矩、高精度的電機(jī)舵機(jī)具有明顯的軍事用途，因此被西方國家嚴(yán)格封鎖對我國輸入。1.2電動舵機(jī)系統(tǒng)的組成導(dǎo)彈的舵機(jī)系統(tǒng)主要由2組單通道的電動舵機(jī)組成，分別控制副翼和V尾。電動舵機(jī)以機(jī)載電池為能源，一般由舵機(jī)控制器、功率驅(qū)動電路、伺服電機(jī)、減速傳動機(jī)構(gòu)和反饋傳感器器等五大部分組成，結(jié)構(gòu)組成如圖1.1所示。圖1.1電動舵機(jī)系統(tǒng)組成方框圖1.3電動舵機(jī)系統(tǒng)的工作原理舵機(jī)正常工作時，舵機(jī)控制器接受制導(dǎo)計算機(jī)給定的舵面偏轉(zhuǎn)指令，驅(qū)動伺服電機(jī)帶動舵面偏轉(zhuǎn)，同時舵機(jī)控制器實(shí)時采集實(shí)際的舵面角度，保證舵面在一定的響應(yīng)時間內(nèi)以一定的精度趨近給定角度值，使導(dǎo)彈完成升降、航向以及協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎等飛行任務(wù)，最終使導(dǎo)彈按照預(yù)定的姿態(tài)和航線飛行?？刂破鞑捎酶咚貾WM調(diào)速模式，通過調(diào)整PWM的脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓平均值的控制，從而達(dá)到通過控制電機(jī)的電樞電壓來實(shí)現(xiàn)舵機(jī)調(diào)速。當(dāng)實(shí)際舵面偏角與要求的角度存在誤差時，控制器產(chǎn)生PWM波調(diào)制信號和控制伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號，PWM信號經(jīng)過驅(qū)動器進(jìn)行功率放大后，驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動。伺服電機(jī)的力矩通過減速傳動機(jī)構(gòu)，帶動舵面按照要求的角度偏轉(zhuǎn)；角度誤差為正時，給出使伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)的信號，舵面向正方向轉(zhuǎn)動；角度誤差為負(fù)時，給出使伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)的信號，舵面向負(fù)方向轉(zhuǎn)動，從而不斷的調(diào)整角度，形成位置閉環(huán)系統(tǒng)。2電動舵機(jī)系統(tǒng)器件2.1伺服電機(jī)選型舵機(jī)系統(tǒng)是一個閉環(huán)角位置伺服控制系統(tǒng)。具有大負(fù)載、快響應(yīng)、高精度和小型化的特點(diǎn)。而直流無刷電機(jī)具有體積小、重量輕、功率密度高、輸出力矩大、動態(tài)性能好、線性度好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合對電機(jī)重量、體積、輸出力矩、控制精度等要求。經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)研和最終的方案論證，最終選擇Maxon公司的EC-powermax系列的新型直流無刷電機(jī)，該型電機(jī)基于無鐵芯空心杯電樞繞組原理，具有以下的技術(shù)特點(diǎn)：?無機(jī)械換向，其壽命僅受軸承壽命的限制（20，000小時）?無齒槽轉(zhuǎn)矩?無鐵損?無飽和效應(yīng)?電氣時間常數(shù)小、小電感該電機(jī)的其他有關(guān)的性能參數(shù)如下：名稱伺服電機(jī)參數(shù)參數(shù)要求額定電壓14V14.8V1.48V額定轉(zhuǎn)速8470rpm控制力矩0.206Nm0.15Nm額定電流1.5A堵轉(zhuǎn)力矩0.237Nm0.2Nm終端電阻0.902終端電感0.0882mH轉(zhuǎn)矩常數(shù)14.3mNm/A機(jī)電時間常數(shù)0.00458sTdj0.008s轉(zhuǎn)子慣量10.3、摩擦系數(shù)0.1反電動勢系數(shù)0.1伺服放大器等效電阻0.1通常電機(jī)的性能可以由它的工作特性曲線反映，電機(jī)的工作特性主要由電機(jī)運(yùn)行范圍曲線來反映，運(yùn)行范圍主要由連續(xù)工作區(qū)、短時工作區(qū)、最大連續(xù)電流和轉(zhuǎn)矩、最高允許轉(zhuǎn)速和線圈的最好溫度來限制。連續(xù)運(yùn)行區(qū)是在“最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩”和“最高允許轉(zhuǎn)速”兩條線以內(nèi)的區(qū)域，在此區(qū)域長時間運(yùn)行，不會對系統(tǒng)造成損壞。短時工作區(qū)主要是由熱效應(yīng)造成的，因為繞組具有最高工作溫度值，一般稀有金屬電刷的換向系統(tǒng)轉(zhuǎn)子的最高溫度不超過85，短時過流的時間主要由繞組的熱時間常數(shù)決定的，過載的時間根據(jù)電機(jī)的不同一般由幾秒鐘到約一分鐘。圖2.2電機(jī)的工作特性曲線2.2減速器電動舵機(jī)的輸出力矩要傳遞到舵面上，必須要有傳動機(jī)構(gòu)，考慮到機(jī)身的布局以及空間位置的限制，最終采用連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，電動舵機(jī)與副翼的連接示意圖如圖2.3所示。

圖2.3舵機(jī)減速機(jī)構(gòu)減速比n=1/6776舵面的傾角轉(zhuǎn)動范圍為：20°—-20°。從連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖的簡化幾何圖可以看出，該機(jī)構(gòu)并不是標(biāo)準(zhǔn)的平行四連桿機(jī)構(gòu)，而是不規(guī)則的四邊形結(jié)構(gòu)，從仿真的結(jié)果來看，在舵面工作的.20°—-20。的角度范圍內(nèi)，電動舵機(jī)的輸出角度與實(shí)際的舵面偏轉(zhuǎn)角度之間重合得非常好。2.3反饋裝置及其數(shù)學(xué)模型電動舵機(jī)系統(tǒng)的反饋裝置主要有電流反饋、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋和舵面角度反饋裝置。2.3.1電流反饋直流無刷電機(jī)采用兩相導(dǎo)通的方式，即電機(jī)的三相定子繞組在某一時刻只有兩相通電，因此可以采用采樣直流母線電流的方法。采樣電流一般有兩種方式，一種是在待測電路上串入一個精密的小電阻，通過電阻的壓降間接得到電流的大?。涣硗庖环N就是采

用電流傳感器。2.3.2伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測及速度反饋選用的伺服電機(jī)安裝有HALL傳感器，除了能檢測轉(zhuǎn)子的位置外，還可以利用它的信號來計算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，HALL傳感器信號序列如圖2.4所示轉(zhuǎn)子位置60120180240300360HALL傳感器1,1LW-IHALL傳感器2IHALL傳感器3圖2.4所示HALLHALL傳感器1,1LW-IHALL傳感器2IHALL傳感器3由上圖可知，伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)360。電角度，電機(jī)的極對數(shù)為P,則三個HALL傳感器共產(chǎn)生6P個上升沿與下降沿的電平轉(zhuǎn)換信號，那么每兩個電平轉(zhuǎn)換之間就對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60。當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，利用該方法得到的速度反饋的精度能滿足控制要求；當(dāng)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低時，利用該方法得到的速度反饋用于控制會出現(xiàn)控制輸出不平滑的缺點(diǎn)。因此下文將提到采用編碼器來得到速度反饋，以彌補(bǔ)該反饋方式存在的缺陷。2.3.3伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速、角度反饋以及舵面角度反饋本課題選用增量式光電編碼器作為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速、角度反饋以及舵面角度反饋元件，它具有高精度全數(shù)字化，無信號干擾和零點(diǎn)漂移，頻率達(dá)到128ppr，并具有10—30V的寬工作電壓。與同類傳感器相比，具有精度高、角度測量范圍大、使用可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，本課題選用Maxon的MR增量式編碼器，旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生128個脈沖。光電編碼器輸出的是正交編碼脈沖信號，由兩個頻率可變、有固定1/4周期相位差的脈沖序列組成，可以通過兩路脈沖的先后次序確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，根據(jù)脈沖的個數(shù)和頻率，就可以確定電機(jī)的角位置和角速度。對于角度反饋，通常選用精密電位計作為舵面位置檢測元件，分辨率理論上為無窮小，但是其實(shí)際使用時的精度與電位計供電電源的品質(zhì)具有很大的關(guān)系，作為電位計的供電電源，使得電位計的實(shí)際精度很難達(dá)到設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)。處理編碼器脈沖信號時采用四分頻技術(shù)，檢測精度為O.7r，達(dá)不到精度指標(biāo)的設(shè)計要求。于是將編碼器安裝于伺服電機(jī)的另一端輸出軸，于是檢測精度達(dá)到0.003。，完全滿足控制精度的要求。但是此時編碼器所測量的為伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角，由于經(jīng)過了減速機(jī)構(gòu)，使得舵面的實(shí)際測量精度不夠準(zhǔn)確，而且整個系統(tǒng)沒有絕對的零位。因此我們采用在電機(jī)軸上安裝增量式編碼器，在舵面上安裝精密電位計，系統(tǒng)上電時就可以通過精密電位計的絕對零位來自動尋找舵機(jī)的home。依靠增量編碼器計算離開home多遠(yuǎn)來計算舵機(jī)的絕對位置.同時通過每隔5s鐘采集一次精密電位計的信號，用于系統(tǒng)的故障診斷。3系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型3.1.伺服放大器誤差信號方程為二（3.1）放大電路方程為（3.2）式中-是輸入信號；-是反饋信號；-是誤差信號；K-是放大倍數(shù)；-是放大器輸出信號。3.2直流伺服電機(jī)TOC\o"1-5"\h\z電樞回路電壓平衡方程一（3.3）電樞反電勢方程一（3.4）電機(jī)軸上力矩平衡方程一一（3.5）電磁轉(zhuǎn)矩方程（3.6）式中-是電樞繞組的電感；-是電樞繞組的電阻；-是伺服放大器的等效電阻;i-是電樞繞組中的電流；-是反電勢；-是反電勢系數(shù)；f-粘性摩擦系數(shù)；M-是電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩;-是負(fù)載力矩。3.3減速器（3.7）s=r（3.8）式中X-是齒條輸出位移；n-是減速比；s-是電機(jī)軸的線位移；r-是電機(jī)軸半徑3.4反饋電位計X（3.8）式中-是反饋系數(shù)。3.5電動舵機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖綜合以上各式，簡化后，可建立電動舵機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖3-1所示。圖3.1電動舵機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4電動舵機(jī)系統(tǒng)仿真4.1simulink框圖搭建Matlab/Simulink提供了基本的功能模塊，存放在Simulink模塊庫中。在Matlab中運(yùn)行Simulink，創(chuàng)建一個Model文件(fz.mdl),根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，不考慮負(fù)載力矩M,的影響，代入相應(yīng)參數(shù)后，創(chuàng)建了一個如圖4-1所示的仿真實(shí)例,開環(huán)系統(tǒng)如圖4.2所示。圖4.1電機(jī)舵系統(tǒng)仿真圖圖4.2開環(huán)電機(jī)舵系統(tǒng)仿真圖

4.2仿真結(jié)果可得到系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，如圖4-1示。由圖可見，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，上升時間0.12s，超調(diào)量21.9%，振蕩次數(shù)1.5次，調(diào)節(jié)時間0.663s?？傻玫较到y(tǒng)bode圖，如圖4-2示。由圖可見，幅值裕度66.1Db，相位裕度46.3deg。圖4-1階躍響應(yīng)特性仿真結(jié)果圖BodeOiaQiBmFrom.In1Ta:Out!SyEitm.留phaseMarjri(Jeg)吒.3PelayMergln舊&E：D圖4-1階躍響應(yīng)特性仿真結(jié)果圖BodeOiaQiBmFrom.In1Ta:Out!SyEitm.留phaseMarjri(Jeg)吒.3PelayMergln舊&E：DAtirMiGcncy(rn^ec):10.5Clcs-ffdLoopStahlsYes10Freqii&ncy(rad/sec)圖4-2幅頻特性仿真結(jié)果圖GsirMargin印)c6B.1fidFr&Qjuenc^Crad/Mcj:566CLc訪pY&i10'10這次的課程設(shè)計我學(xué)習(xí)到了很多的知識，在學(xué)習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)理論知識與實(shí)踐相結(jié)合的重要性，也發(fā)現(xiàn)了自己在知識儲備上的不足，我將在在以后的學(xué)習(xí)和工作中認(rèn)真學(xué)習(xí)，扎實(shí)基礎(chǔ)，努力提高實(shí)踐的能力和水平，這對將來的工作學(xué)習(xí)以及畢業(yè)設(shè)計即將有很大的幫助。本課程設(shè)計闡述了電動舵機(jī)的工作原理，并分析了舵機(jī)系統(tǒng)的組成，并根據(jù)導(dǎo)彈對舵機(jī)系統(tǒng)的性能要求，對各部分進(jìn)行選型，并推導(dǎo)出各部分的傳遞函數(shù)，從而得到舵機(jī)