1.3 本文的研究内容

本文针对常规弹载电动舵机的技术要求以及电动舵机控制系统的研究现状，结合电动舵机系统的特点，以基于DSP的电动舵机控制系统为对象，深入分析，先建模，并实现PID控制的仿真实验。先建立电动舵机的数学模型，简化后，得出电动舵机的传递函数，由此设计一个基于PID控制器设计电动舵机精确位置控制系统。再对此系统进行MATLAB/SIMULINK仿真，要求位置跟踪控制上升时间小于0.1秒，跟踪误差小于5%。

本文亟待解决的问题和对应的解决途径：

（1）建立电动舵机的动力学模型

选取一种型号的舵机，了解其内部硬件构造，根据经典控制理论中的典型元部件的动力学微分方程，构建电动舵机的动力学微分方程组，此即为电动舵机的动力学模型。

（2）建立电动舵机的传递函数

根据电动舵机的动力学模型，对其中的非线性微分方程线性化，并简化其中一些对结果影响小的物理量，将方程组精简，组成简化后的电动舵机动力学模型。消除中间变量，得到输出量与输入量之间关系的微分方程。将此微分方程进行拉普拉斯变换，即可得到电动舵机的传递函数。文献综述

（3）基于PID控制器设计电动舵机精确位置控制系统

根据电动舵机的传递函数传递函数，在PID控制器的基础上加入部分可以精确控制的环节，构成电动舵机精确位置控制系统。在设计其中环节时，既要考虑系统的精确性，又要考虑系统实现的可能性及成本经济性。

（4）进行控制系统的仿真实验

利用仿真软件MATLAB/SIMULINK，搭建控制系统的框架图，用计算机进行仿真，得出仿真结果，做出仿真实验跟踪曲线，并计算时域性能指标。

（5）进行控制系统的校正

多次仿真实验，看得到的时域性能指标是否满足“上升时间小于0.1秒，跟踪误差小于5%”的要求，若不满足，对系统进行校正，继续仿真实验，直至满足精确控制的要求。

2 电动舵机系统组成及其数学模型

本文以电动舵机系统为研究对象，建立电动舵机的数学模型是分析和研究的基础。本章先选定舵机伺服驱动电机的电机本体类型，再对舵机各部分的组成和工作原理进行具体分析，建立电机本体的数学模型。为下章搭建整个电动舵机的仿真模型作基础，为后续的舵机系统的仿真提供依据。

2.1 伺服电机的选型及其数学模型

直流电机由于其结构简单、调速范围大、较大的起制动转矩和过载能力等优点，在伺服系统中得到了广泛的应用。但直流电机作为伺服驱动电机的应用上，最大的缺点是换相问题。早期的直流电机是有刷直流电机，“刷”指碳刷，碳刷是有刷直流电机的关键性部位，主要起到电流的换相作用。但碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，因此会造成组件损坏，影响电机的稳定性，增加了维护成本，使电机的使用场合受到极大的限制。源.自/优尔·论\文'网·www.youerw.com/

伴随永磁材料技术和半导体技术的发展，使用电子换相的永磁无刷直流电机应运而生。永磁无刷直流电机的出现弥补了传统直流电机的不足，有许多的优点：

（1）电机调速范围宽，可以在转速范围内全功率运行；

（2）电机外特性好，具有特有的低速大转矩特性，能够减小起动脉动，提供较大的起动转矩；

（3）无刷直流电机采用电子换相，避免了机械换向的缺点；

（4）回馈制动效果好，电机便于实现发电制动；