3. 执行机构控制基础

无人飞行器的舵面、云台、起落架、油泵或矢量喷管等执行机构，最终都要落到“让电机或舵机产生什么样的运动”这一问题上。控制目标不同，闭环结构、传感器需求和驱动方式也不同。工程上通常把执行机构控制分为三类基本模式：位置控制、速度控制和力矩控制。它们不是互相替代的关系，而是从外到内逐层嵌套的三层结构——位置环的输出是速度指令，速度环的输出是力矩（电流）指令，力矩环再通过功率驱动作用于电机。

三种控制模式的基本原理

位置控制的目标是让执行机构输出轴到达并稳定在给定角度或位移。控制器比较目标位置 θ_ref 与反馈位置 θ_fb，得到位置误差 e_θ，经比例（有时加微分）环节生成速度指令 ω_ref。位置环带宽最低，但对稳态精度要求最高，因此常配合积分项消除静差。舵机、云台、起落架收放都属于典型位置控制对象。

速度控制的目标是维持转速恒定或按指令变化。控制器比较目标转速 ω_ref 与测速反馈 ω_fb，输出电流（力矩）指令 i_ref。速度环带宽高于位置环，是抑制负载扰动的主要环节。例如无人机发电机的恒速控制、螺旋桨定转速试验台都工作在速度模式。

力矩控制（也称电流控制）直接给定电机电磁转矩，通常通过控制相电流实现。由于转矩与电流近似成正比 T ≈ K_t·i，力矩环实际是电流环。它带宽最高、响应最快，但对外表现为“给多少力就出多少力”，不具备自主定位能力。机械臂关节柔顺控制、力反馈操纵、恒张力收放线都依赖力矩模式。

PWM 驱动与 H 桥

直流电机或舵机的功率调节普遍采用 PWM（脉宽调制）。在固定周期 T 内改变高电平持续时间 t_on，占空比 D = t_on / T 决定平均电压 U_avg = D·U_bus。例如母线 12 V、PWM 频率 20 kHz、占空比 60%，则电机端平均电压约 7.2 V。频率选择需权衡：太低会产生可听噪声和转矩脉动，太高则开关损耗增大，有刷电机常用 1～20 kHz，无刷电调常用 8～32 kHz。

要实现正反转，需要 H 桥电路。四个开关管组成桥臂，对角导通时电流正向流过电机，另一对角导通时电流反向，从而实现双向驱动。H 桥的关键风险是直通：同一桥臂上下管同时导通会造成母线短路。因此驱动逻辑必须保证“先断后通”的死区时间，典型值 0.5～2 μs。此外，PWM 调速时常采用“单极性”或“双极性”调制，前者谐波小、效率高，后者低速线性度好但开关损耗大。

电调接口与常用控制模式

无刷电机通过电调（ESC）驱动，电调内部完成换相与电流控制。常见接口有三类：

• PWM 接口：标准舵机式信号，周期 20 ms，脉宽 1000～2000 μs 对应最小到最大输出，1500 μs 为中位。接线为信号线、电源正、地三线。优点是通用、抗干扰好；缺点是刷新率低（通常 50～400 Hz），分辨率有限。
• OneShot / DShot 数字接口：DShot 以数字帧传输油门值并带 CRC 校验，速率可达 300～1200 kbps，无需校准行程，抗噪能力强，适合多旋翼高动态响应场景。
• CAN / UAVCAN 接口：面向工业级执行机构，支持双向通信，可回传转速、电流、温度、故障码，便于状态监控与故障诊断。

常用控制模式可归纳为：位置模式（舵机、云台）、速度模式（恒速发电、定转速台架）、力矩/电流模式（力控关节、恒张力）、以及开环电压模式（简单调速，无反馈）。选择模式的核心依据是：被控量是否需要闭环、外部扰动是否显著、以及是否允许执行机构“自主”抵抗扰动。

模式选择与参数整定的实践要点

实际选型时，先明确被控量与扰动来源。若执行机构需要抵抗风载、摩擦等外部扰动并保持姿态，应使用位置或速度闭环；若需要与外界力交互（如抓取、接触），则必须用力矩模式，否则位置环会与接触力“顶牛”。以某型电动舵机为例：母线 24 V，PWM 频率 20 kHz，位置环 K_p = 8、K_d = 0.15，速度环 K_p = 0.6、K_i = 12，电流环 K_p = 1.2、K_i = 200。整定时先给电流环阶跃指令，观察相电流上升时间应小于 1 ms 且无超调；再闭合速度环，看转速阶跃响应超调量控制在 10% 以内；最后闭合位置环，检查到位后有无低频振荡。若出现高频啸叫，多为电流环增益过高；若到位缓慢且有余差，则需提高位置环积分或检查反馈分辨率。

综上，位置、速度、力矩三种模式构成执行机构控制的基本骨架，PWM 与 H 桥提供功率执行手段，电调接口决定指令传输方式与可观测性。理解三环嵌套的带宽关系与整定顺序，是后续故障诊断中区分“控制参数问题”与“硬件故障”的重要基础。