[發(fā)明專利]一種克服間隙擾動的電動舵機伺服系統(tǒng)及其控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110888268.3
• 申請日: 2021-08-03
• 公開（公告）號: CN113791537A
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發(fā)明（設計）人: 張小躍;齊明龍;張桓瑞;李志兵;高遠飛
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種克服間隙擾動的電動舵機伺服系統(tǒng)，包括：舵機控制模塊、雙路功率驅動模塊、雙路直流電機、雙路減速器、雙路電位器及雙路舵翼；其特征在于：

所述舵機控制模塊輸入端與上位機相連，接收上位機發(fā)送的指令信號，輸出端與雙路功率驅動模塊輸入端相連，用于給驅動芯片發(fā)送指令；所述雙路功率驅動模塊輸出端與雙路直流電機的輸入端相連，用于驅動電機旋轉；所述雙路直流電機輸出端與雙路減速器輸入端相連，用于傳遞力矩；所述雙路減速器輸出端與雙路舵翼相連，用于驅動舵翼偏轉；所述雙路電位器分別安裝在雙路舵翼附近，輸入端與舵翼相連，用于檢測舵翼偏轉角度；輸出端與舵機控制模塊相連，將所測得的舵翼偏轉信息傳遞給舵機控制模塊，舵機控制模塊通過將給定角度與實際角度對比處理，進而控制電機旋轉方向和速度。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種克服間隙擾動的電動舵機伺服系統(tǒng)，其特征在于：所述雙路功率驅動模塊采用A3930 BLDC驅動芯片；A3930是一塊驅動三相N溝道MOSFET的驅動器，芯片內(nèi)部集成同步整流、換相解碼器邏輯，并能夠自動實現(xiàn)對橋式電路的死區(qū)控制，該芯片內(nèi)部還集成了相互獨立的三路高壓側和低壓側MOSFET驅動電路；單片機只需向A3930輸入運動方向指令，A3930就能自動完成換相；結合單片機輸入的PWM信號，A3930輸出6路PWM，控制6路MOSFET開關管的閉合。

3.一種克服間隙擾動的電動舵機伺服系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：所述雙路電動舵機伺服控制系統(tǒng)中雙路直流電機數(shù)學模型為：

式中，U_d為回路電壓，I_d為回路電流，L為電感、R為電阻，E為電機的感應電動勢，K_e為電機的反電動勢常數(shù)(V·s/rad)，K_m為電機的轉矩常數(shù)(N·m/A)，J_m為電機輸出軸的轉動慣量(Kg·m²)，T_L為電機輸出軸的等效負載力矩(N·m)，t為時間，ω為電機輸出軸角速度，I_dL電機的負載電流；

步驟2：整理并進行Laplace變換得到無刷直流電機傳遞函數(shù)：

步驟3：當電機負載為0時，此時系統(tǒng)是不含擾動項的閉環(huán)控制系統(tǒng)，得到電機開環(huán)傳遞函數(shù)為：

為機械時間常數(shù)，為電磁時間常數(shù)，s是經(jīng)過Laplace變換后的復變量；

步驟4：其它模塊數(shù)學模型：

式中，G_p(s)、θ(s)、K_F分別為功率驅動器、減速器和電位器的數(shù)學模型；K_p為驅動器放大倍數(shù)，i是減速器減速比，K_F為電位器反饋系數(shù)，u_d(s)為電位器兩端電壓；

步驟5：將各個模塊的數(shù)學模型進行整理得到整個電動舵機系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

步驟6：設二階非線性不確定系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

其中，f(x,t)和g(x,t)為未知非線性函數(shù)，且g(x,t)＞0；y為系統(tǒng)輸出，u為受限的控制輸入，d(t)為有界干擾，且|d(t)|≤D，D為外界擾動上界；

步驟7：使用反步法經(jīng)過反推設計出滑模面S，

式中e₁＝x₁-x_d為角度誤差，c₁為大于0的常數(shù)，x_d為指令信號；

經(jīng)過反步推導設計出滑模控制器為：

式中，c₂為大于零的正常數(shù)，e₂為虛擬控制量，

步驟8：在設計的滑模控制器中，采用飽和函數(shù)代替控制器中的符號函數(shù)，達到抑制抖振現(xiàn)象的目的；

飽和函數(shù)定義為：

式中，δ為邊界層；

滑模控制器表示為：