电动舵机的发展研究现状及趋势

菜单

近年来，随着稀土永磁材料的开发和应用、电力电子应用技术的进步尤其是大功率晶体管的出现和高性能的微处理器芯片不断出现，在各学科发展的基础上，电动舵机系统研究和开发也取得了很大进步，再加上其具有结构紧凑，加工制造成本低，易于维护，经济性好等优点，基于新型稀土永磁材料的电动舵机系统已开始广泛应用于导弹、联合制导弹药和无人机[5]等尖端武器的制导系统。65233

数字信号处理器的出现使电动舵机开始向数字化方向发展。在电动舵机控制系统中采用高性能的微控制器，不仅可以提高系统的实时处理能力和抗干扰能力，还可以在传统控制的基础上，将一些过去只能在理论上成立的复杂算法，例如智能控制算法加入到电动舵机控制系统中去。此外，一些先进的电机驱动技术，如脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)和正弦波脉宽调制(PWM)等，也可通过微处理器以数字方法实现，为电动舵机系统实现数字化和智能化提供了基础[6]。

目前，电动舵机的研究方向主要集中在减小舵机传动系统体积和提高舵机控制系统的控制精度上。在减小舵机传统系统体积方面，主要采用行星齿轮、小型滚珠丝杠和谐波齿轮等减速装置。随着智能控制的发展，提高舵机系统的控制精度的研究则呈现出多样化态势，各种新型控制算法层出不穷[7]。

1 伺服电机的发展现状及趋势

伺服电机作为电机械转换元件，是电动舵机系统工作的核心元件。伺服电动机种类很多，制导武器控制系统对其基本要求有：

（1）宽广的调速范围。伺服电动机的转速随着控制电压的改变能在宽广的范围内连续调节。

（2）机械特性和调节特性均为线性。伺服电动机的机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系；调节特性是指电动机转矩一定时，转速随控制电压的变化关系。线性的机械特性和调节特性有利于提高控制系统的动态精度。

（3）空载始动电压低，灵敏度要高。当电动机空载运行时，其转子不论在哪个位置，只要施加很小的控制电压信号，伺服电动机就能从静止状态开始加速起动，这个控制电压就称为始动电压。始动电压越小，表示电动机的灵敏度越高。

（4）无自转现象。所谓自转现象是指转动中的伺服电动机在控制电压为零时继续转动的现象。通常要求在无控制信号时，伺服电动机必须静止不动。所以当控制电压降到零时，伺服电动机应立即自行停转。

（5）快速响应性好。当控制信号发生变化时，要求伺服电动机能迅速从一种状态过渡到另一种状态。因而，伺服电动机都要求机电时间常数小，且有较大的堵转转矩和较小的转动惯量。

提高电动舵机的性能就必须先提高伺服电机的性能。在导弹上为节省空间，伺服电机的控制和工作都采用直流电源，因此伺服电机的发展方向是直流电机。

20世纪60-70年代是直流伺服电机诞生和全盛发展的年代，直流伺服系统在工业及相关领域获得了广泛的应用。永磁式直流电机凭借控制电路简单、无励磁损耗、低速性能好等优点，在制导武器应用领域占据统治地位。

20世纪80年代以来，随着伺服电动机、材料学科和电力电子学科的发展，直流伺服电机的发展方向主要为电机主极永磁化和转向无刷化，在这种背景下，永磁无刷直流电机应运而生[8]。无刷直流电机在保持了传统直流电机优点的基础上，性能较之有很大提高，具有低噪声、高效率、无励磁需要、易维护、寿命长、控制结构简单等优点，有逐步取代传统直流电机的趋势。