摘 要：针对现有无人船电动舵机系统在动态响应、控制精度和可靠性等方面的不足，本文提出了一种改进的电动舵机控制系统。该系统以位置闭环反馈控制为基础，通过引入速度环和电流环进一步优化控制算法，从而提升舵机的动态性能与稳定性。系统设计包括初始化过程、闭环控制算法的实现、PWM信号生成及串口通讯等多项功能的集成，涵盖硬件和软件两方面的构建。实验结果表明，所提控制系统在稳定性、响应速度和控制精度等方面均达到预期指标，同时，速度环和电流环的引入有效改善了舵机的动态响应和跟踪能力。

关键词：无人船、电动舵机、闭环反馈控制、动态响应、控制精度

引言：

无人船的电动伺服舵机系统融合了机械、电气、数字化及自动化等多个学科，形成了一种复杂的机电一体化控制系统。该系统具有结构紧凑、维护简便、可靠性高以及动态响应快等特点，广泛应用于无人机、机载导弹、火箭炮等领域，具有显著的市场潜力和应用前景[1-4]。

刘晓琳等[5]提出了一种改进的控制策略，将库仑-粘滞摩擦补偿与模糊自适应准PR控制相结合，用以解决飞机舵机电动伺服系统中的非线性干扰问题。黄健伟等[6]提出了一种四阶负载转矩扩张观测器，用于降低外部干扰对舵机动态性能的影响。张阳等[7]为解决舵机在反操纵力矩作用下的抖动和收敛慢问题，提出了一种带超前校正环节的数字PID控制方法，提升了舵机的跟踪性能和稳定性。Jian等[8]通过在控制器中添加反步自适应控制方法来进行补偿，但该方法无法做到对扰动的反馈补偿。Lin等[9]提出了一种结合自适应控制与滑模变结构控制的方法，通过实时计算采集的参数来减少控制参数的波动。

本文提出了一种基于位置闭环反馈控制算法的小型电动舵机控制系统，针对其稳定性、响应速度和控制精度进行优化，最终通过实验验证所提出方法的有效性。

1 控制系统总体方案

系统组成及工作原理，舵机控制系统主要组成如图1所示[10]。

本设计使用船载计算机通过RS422通信实时发送舵机调整指令。电动舵机控制有刷直流电机的运动，从而驱动舵翼进行偏转。伺服控制器通过角度传感器测量舵偏角度，将测量值反馈给船载计算机形成闭环。

控制系统通过控制电机的运动，驱动滚珠丝杠副的螺母沿丝杆轴向运动，带动摇臂机构使舵轴旋转，从而使舵翼做出相应的旋转往复运动。角度传感器实时测量舵翼偏转角度，确保实现高精度、高可靠性和快速响应的控制。在控制器设计中，采用了位置闭环控制策略，因其算法简洁、响应速度快且稳定性高。具体控制公式如下：

其中为位置环输出，为位置环比例调节系数，为位置误差。

为了进一步提高控制精度、响应速度并减少超调量，位置环基础上增加了速度环和电流环。速度环使用PI调节器，以增强抗扰动能力，具体公式为：

其中为速度环输出，为速度环比例系数，为速度误差，为速度环积分系数，为速度累计误差。

电流环用于进一步调节过程中的超调，确保系统的动态响应和正常跟随。具体公式为：

其中，为加入电流环后的速度环输出，为电流环比例系数，为电流误差，为电流环积分系数，为电流误差的累计值。

2 硬件设计

2.1 系统硬件设计

电机功率驱动电路采用AT8236直流有刷驱动器，四个单通道电机分别由AT8236驱动器独立驱动。STM32通过产生PWM（脉冲宽度调制）信号来控制驱动器内部的MOS管，实现对直流电机H桥转动的控制。具体电路示意如图2所示。

舵偏角度由高精度角度传感器采集，并输出模拟电压信号。该信号通过SGM80581运算放大器电路进行处理，经过处理后的模拟信号满足要求后送入A/D转换芯片。舵偏角度处理电路如图3所示。A/D转换采用瑞盟MS5182模数转换器。MS5182是一款具备4通道、16位转换精度的AD芯片，通过SPI接口进行寄存器配置和数据接收。

2.2 系统软件设计

舵机控制系统的软件主要由主控制程序和中断控制程序组成，程序采用C语言在STM32平台上编写。软件流程如图4所示。

主控制程序首先进行系统初始化和上电自检，初始化过程包括系统时钟、GPIO、PWM定时器、串口和SPI等的配置。随后，进行定时器中断时间的设置，最后进入主循环。主循环负责解析船上计算机的指令，并将执行结果反馈给船上计算机。

3 实验结果与分析

为验证电动舵机控制系统的响应速度和稳态精度，采用测试设备模拟信号，给舵机发送阶跃激励信号，并接收舵偏反馈信号。测试中，幅值为±15°的阶跃激励信号被发送至系统，系统生成了输入信号曲线和四个通道的输出信号曲线，如图5所示。

在位置环控制器基础上增加速度环和电流环控制器，并对优化后的系统进行了分析，结果如表1所示。测试结果表明，未优化前，控制系统的相关指标为：最大调节时间37.9ms，最大超调量1.4%，最小舵偏角速度337.4（°）/s；优化后，相关指标为：最大调节时间35.5ms，最大超调量1.2%，最小舵偏角速度344.5（°）/s。通过对比，增加速度环和电流环后，舵机在动态响应方面得到了提升，证明了控制器算法优化的有效性与可行性。

输入正弦波扫频激励信号验证舵机的跟踪性能，得到实验结果曲线，如图6所示。实验结果表明，控制系统在加入速度环和电流环后，舵机的跟踪性能显著提高，进一步验证了该优化方法的有效性。

4 结论

本文提出了一种以无人船为控制对象的舵机控制系统方案。实验结果表明，该系统的调节时间、最大超调量、舵偏角速度、延迟时间和带宽等性能指标均符合要求，验证了其在响应速度、稳定性和控制精度方面的优越性。同时，在位置环控制基础上加入速度环和电流环控制器，显著提高了动态响应和跟踪性能。这一研究为电动舵机在无人船领域的进一步应用提供了重要参考。

参考文献：

[1] 朱国威， 姜梦馨， 林丛， 等. 飞机舵机电动伺服系统复合控制方法研究[J]. 信息技术与网络安全， 2020， 39（6）： 68-72.

[2] 罗淦， 余华兵， 余海瑞， 等. 基于无线数传技术的无人船控制系统设计与实现[J]. 计算机测量与控制， 2023， 31（3）： 134-139.

[3] 张侦英， 钱云鹏， 涂宏茂， 等. 电动舵机控制系统可靠性仿真与优化[J]. 兵器装备工程学报， 2021， 42（3）： 107-113.

[4] 王国永， 杨飞. 一种水域救援无人船舵机转向结构设计与优化[J]. 技术与市场， 2023， 30（5）： 80-82.

[5] 刘晓琳， 刘畅， 郭艾佳. 飞机舵机电动伺服系统复合控制策略研究[J]. 组合机床与自动化加工技术， 2022（3）： 80-83.

[6] 黄健伟， 覃泽龙， 徐新， 等. 基于ESO的无人机舵机系统控制策略研究[J]. 兵器装备工程学报， 2023， 44（7）： 257-263.

[7] 张阳， 吴超， 韩广超. 反操纵力矩作用下的电动舵机控制方法研究[J]. 设备管理与维修， 2023（7）： 49-52.

[8] JIAN Z Y， DING F， ZHAO C H， et al. Research on BLDCM speed loop control based on variable speed index approach law NFTSM[C]. IEEE International Conference on Artificial Intelligence and Computer Applications， IEEE， 2020.

[9] LIN J R， LIN G B， ZHAO Y Z， et al. Adaptive nonsingular finite-time terminal sliding mode control for synchronous reluctance motor[J]. IEEE Access， 2021， 9： 51283-51293.

[10] 刘晓琳， 刘畅， 郭艾佳. 飞机舵机电动伺服系统复合控制策略研究[J]. 组合机床与自动化加工技术， 2022（3）： 80-83.