【摘要】本文主要阐述基于DSP的电动舵机伺服系统的设计与实现，简述了舵机控制器硬件和软件设计，并通过数学模型仿真，对电动舵机伺服系统的性能进行了优化。
【关键词】DSP 电动舵机 伺服
一、基于DSP的数字式控制方法
（一）控制策略
基于DSP的电动舵机伺服系统采用数字式位置―速度―电流三环控制技术。位置环为舵回路的外环，采用PI或PID控制，可确保位置跟随无静差，它决定着舵面位置控制的精度；速度环为中间环节，它决定着舵面从当前位置向目标位置运动的速度快慢，对系统快速性和稳定性起关键作用，一般快速性越好，稳定性将变坏，因此速度环在伺服系统中比较重要；电流环为舵回路的内环，它的输入为速度环的输出，由于电机的电流与其输出转矩成正比，所以，电流环表明电机以某种速度运行时必须提供给电机的电流。采用数字式控制方式，体积小，重量轻，调试方便，可实现高精度控制。
（二）系统结构
基于DSP的电动舵机伺服系统由电动舵机和舵机控制器组成，舵机控制器与舵机间采用电缆连接。舵机控制器接收来自中控机的控制信号并对其进行分析、计算，按照控制律要求输出舵机控制信号，电动舵机操纵舵面跟随舵控信号偏转，实现对姿态的控制。
舵机为直线位移电动舵机。该电动作动系统动力源采用稀土永磁无刷直流电机，由于采用电子换向，克服了机械换向带来的弊病；转子为永磁体，没有激磁损耗；发热的电枢绕组装在外面的定子上，热阻较小，散热容易；可靠性高。位置传感器采用线性可差接变压器（LVDT），是一种用于测量线性位移无接触式变换器。速度反馈传感器采用与电机共轴的旋转变压器实现，信号稳定，误差小，工作可靠。电动舵机采用滚珠丝杠副，它是一种新型螺旋传动机构，具有优良的传动特性和运动可逆行，传动效率和传动精度极高，轴向间隙可以为零。
（1）硬件设计。在硬件设计方面，舵机控制器数字信号处理器采用TI 公司DSP芯片，大大提高控制精度。舵机控制器功率驱动部分采用先进的功率驱动模块，该模块具有体积小，重量轻，集成度高，散热快，输出功率大的特点。模块内部含有CPU内核，可实现电流及转速调节。模块内包含保护电路：欠压、过压保护，过热保护，短路保护等，提高数字伺服舵机的可靠性。
（2）软件设计。在软件设计上，采用的方法是将复杂的控制律以功能模块化形式在软件中实现，用定时器来保证程序周期以及控制指令的实时采集，并用软件功能来代替部分硬件功能以降低成本、提高芯片的使用率。
二、电动舵机伺服系统模型建立与仿真
数学模型进行仿真可以事先发现设计不合理的方面，通过仿真中对数学模型的参数进行调整可以预期数字式电动舵系统的统控制律参数。因为数学模型与工程实践不可避免的存在一些差异，所以设计在工程中实现后，还要通过电动舵机伺服系统联试试验再调整控制律参数，以满足电动舵系统的性能要求。
（一）电机模型的建立
（二）电流环的设定
（三）速度环的设定
速度环拟采用比例调节，比例系数初定为80，反馈系数为1。加上速度环后，电机模型如图3所示：
（四）电机减速比及方向舵配平作动器导程的设定
因此电动舵机数学模型如图4所示：
（五）位置环的设定
位置环拟采用比例调节，比例系数初定为80，反馈系数为1。
因此电动舵机伺服系统数学模型如图5所示：
（六）电动舵机伺服系统模型初步分析
电动舵机伺服系统模型位置闭环初步分析。电动舵机伺服系统模型位置闭环的阶跃信号响应曲线。当加入20mm位移的阶跃信号时，电动舵机伺服系统数学模型响应如图6所示：
从图6可以看出，电动舵机伺服系统的阶跃响应时间约2s，响应速度可以达到10mm/s。电动舵机伺服系统模型位置闭环的正弦信号响应曲线。当加入幅值3mm频率0.5Hz正弦信号时，电动舵机伺服系统数学模型响应如图7所示：
从图7可以看出：当加入幅值3mm频率0.5Hz正弦信号时，电动舵机伺服系统幅值衰减16.6%，相位滞后约50°。
（七）结论
通过仿真分析可以看出，本方案设计的电动舵机伺服系统性能可以达到预期的指标。在实际的设计中，各项参数和数学模型会有一定的差异，所以在实际测试时，通过调节控制律的参数来优化电动舵机伺服系统的性能指标，使其达到预期值。
