用GCKontrol搭建电动舵机系统

伺服驱动原理是通过控制器来控制伺服驱动器，伺服驱动器驱动电机运动。下面是伺服驱动的工作原理图：

伺服驱动器的原理包含有三个环，即电流环、速度环和位置环，每个环路都有自己相对应的电流控制器、速度控制器和位置控制器，每个控制器控制的目标都来自于前一个控制器的输出。电流环通过电流检测实时自动调整，速度环和位置环通过伺服电机本身的编码器，来检测伺服电机的转速与旋转的角度是否设定值相同。最终通过控制伺服电机带动机械对象达到最终控制的目的。

从图可知，开环系统没有形成环路。工作流程为控制器向驱动器发送控制目标，从而驱动电机旋转，机械对象发生位移。由于驱动装置或者控制器没有反馈，所以机械对象移动的位置无法确定是否准确。通常在精度要求不高的控制系统中会用到开环系统。或者在速度很重要，精度操作不重要的时候，也会用到开环系统。

闭环系统有个反馈，根据反馈的位置点的不同，就产生了半闭环系统和全闭环系统，两种控制回路。

半闭环除了驱动器自身的传感器形成电流环，最重要的是在电机后，多了个编码器，用来感知电机实时转速和旋转角度。对于那些需要根据一个轴的运动，来带动另外一个轴的运动，或者是需要高精度的高速运行，灵活性和速度性都有很高的要求的场景，必须使用闭环系统。其他需要闭环控制的应用：包括负载环境，条件变换的状态下还能保持精度的应用。例如像机械手去抓取物体，抓一个特别轻和抓一个特别重的物体，同样移动相同的距离，同样的位置，变换的速度，都要保持一样。

全闭环系统和半闭环系统有什么区别呢？原先在伺服电机的传感器移动到了机械传动装置的后面。同一台机器上，开环系统通常与闭环系统相结合。在工作周期不同的部分，使用其中一种控制方式，来达到最优的控制目的。例如在回缩方式上，使用开环运动控制快速打开一台机床，因此加工完的部件就能快速释放出来。

电动舵机是飞控系统的伺服执行机构，其动力学特性直接关系到飞行器的可控性和安全性。伺服舵机系统主要由伺服电机、行星滚柱丝杠、导向机构、上下支耳及平行键等结构组成，下图给出了典型的舵机示意图，驱动装置为直流永磁伺服电机。本示例工程中，电机和丝杠采用齿轮连接，简化连杆机构用传动比代替。

如下图，模型由伺服电机模块、齿轮和丝杠、间隙模型、舵面和气动负载以及系统全局参数组成。间隙模型放在传动机构和舵面之间，作为系统的总间隙，间隙前边为传动机构的等效惯量，间隙模型后边为舵面机构的惯量和气动负载。为更好的体现间隙特性，将传动机构的一部分等效负载加载到舵面惯量模块上。其中电机模块中包含了位置、速度环pid控制，电机部分占空比控制。

系统参数如下表所示：

忽略电机电感，电机描述方程如下：

模型内部包含位置环、速度环以及电机占空比控制。

电机输出的力矩经齿轮和丝杠推动舵面运动，经齿轮和丝杠输出的力矩Tgs计算如下，η递效率。

电机及传动机构的等效惯量在系统中占很大比重，考虑间隙，将电机传动机构的运动描述放在间隙模型前边，其运动描述方程如下，Jm_eq为电机的等效转动惯量。这里只考虑电机的等效惯量，并将其一部分转动惯量放在舵面部分。

间隙之间的扭矩计算公式如下所示，Tbl为间隙扭矩，

 ϕ=theta_trans-θ为间隙的两侧的相对转角，及传动机构与舵面之间转角的差值。

（1）

     

（2）

     

（3）

     

扭矩Tbl随相对转角ϕ变化的示意图如下，该示意图只考虑了间隙之间的刚度d：

数学描述方程如下，其中Tf为摩擦力矩；为了系统稳定，体现间隙特性，将电机部分转动惯量放在舵面上。

（1）阶跃响应

（2）蓝色线为目标角度：幅值为2°（弧度为0.0348889），频率为10Hz的正弦响应；红色线为舵机响应角度，幅值上有衰减，相位延迟。

bode图绘制使用GCK python API 功能，通过python API接口对模型进行批量仿真，得到不同频率下模型的幅值和相位，绘制bode图如下：

在机体/发动机一体化设计理念下，超燃冲压发动机的进气和高超声速飞行器的姿态密切相关。为保证良好的进气，需要对高超声速飞行器进行精细姿态控制，要求姿态动态误差小于±1°。舵机作为飞行器的执行部件，其性能直接关系到飞行器的控制品质。舵机摩擦环节可以带来滚转通道的震荡，采用非线性PID控制算法对其进行补偿，保证舵机性能的同时抑制了舵机摩擦特性对姿态控制的影响。

移动机器人属于机器人中的一个重要分支，移动机器人技术是多学科交叉融合的高新技术，融合了机械、运动学、动力学、控制论，计算机等几个重要学科，基 于移动机器人的产品已经出现在军用、民用、生活等方方面面的领域，在一定程度上解放了人们的劳动力，随着新工科的出现，人工智能越来越多地出现在人们的视野中，人工智能技术所依托的机器人平台的设计变的尤为重要。在系统设计中，分层结构的设计方便进行系统的开发和集成，在控制系统设计中，小型移动机器人通常采用微处理器方式，如在飞思卡尔车比赛中，选用一些微处理器作为控制中枢较为多见，如STM32微处理器、基于ARM微处理器等构成嵌入式系统的核心控制器。采用微处理器的好处是方便小型化，但是由于现在芯片的处理能力有限，而机 器人所在的环境较为复杂，接收到的信息量很大，这就要求中央处理器的的处理能力很强。工业控制计算机的移动机器人，用工业控制计算机作为控制核心，可以进行大量的数据计算，以及各类控制算法、轨迹规划算法、图像处理算法的验证，为移动机器人的硬件和软件设计提供了参考。

舵机是船舶保持航向的关键设备，船上习惯笼统地将转舵机构、动力设备、辅助设备和相关电控系统等统称为舵机。目前绝大多数船舶舵机都是靠转动舵叶使其有不同的舵角来控制船舶航向的。船舶上的舵机大多数为电动液压舵机。船舶舵机按其工作原理可分为阀控型和泵控型两种。

阀控型舵机的基本工作原理为：液压舵机系统使用单向定量液压泵供液压油，通过电磁阀来控制油路方向，从而改变舵的转动方向。此种液压舵机及其控制系统相对简单，造价相对较低。缺点是任何时候泵都以全流量排油，经济性稍差，适用功率比泵控型要小。

泵控型液压舵机基本工作原理为：液压舵机系统是采用了双向变量泵，通过伺服机构控制泵的排油方向来控制油路方向，从而改变舵的转动方向。舵机按转舵机构的不同可以分为往复式舵机和转叶式舵机。往复式舵机通过若干个活塞来控制舵叶转向，转叶式舵机通过反向工作的叶片泵来控制舵叶转向。

现代民用飞机飞行控制系统（Flight Control System，缩写“FCS”，中文简称“飞控”），是整个飞机机载系统的核心，也是整架飞机最复杂的系统之一。飞控系统发展到现在，已经完成了由机械操纵到电传（Fly by Wire）的过渡。目前，电传飞行控制系统已成为新研飞机的标准配置。飞控系统是利用气动舵面的运动，来控制飞机的飞行姿态和轨迹的。

现代民机飞控系统以侧杆或杆盘、脚蹬、减速板手柄、配平控制板、襟缝翼手柄、飞行模式控制板等，作为驾驶员的操纵输入设备；以多余度的飞控计算机等为计算和处理核心，以机电/电液伺服作动器为执行部件；通过控制副翼、方向舵、升降舵、水平安定面、扰流板、襟翼、缝翼等飞机舵面，实现对飞机的三轴控制（横滚/俯仰/偏航）和配平、升力和阻力控制、自动飞行、包线保护、告警维护等功能。