基于DSP的伺服控制系统设计研究

发布时间：2017-08-02 08:28

  本文关键词：基于DSP的伺服控制系统设计研究

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【摘要】：在当今电气时代,伺服控制系统广泛地应用于工农业生产和日常生活中。但是在伺服系统的控制精度上存在一定的不足,特别是伺服系统在低速时会受到摩擦干扰的影响,严重制约了电机性能的进一步提高。采用数字控制的方法来设计电机伺服系统,是当前伺服控制的一种发展趋势。利用数字控制器齐全的内部模块和丰富的接口,可以使伺服系统更加小型化,控制更加简单易行。本文以实际的电机伺服系统为研究对象,以TMS320F28335 DSP为核心控制器,依次介绍了电机伺服系统的构成、工作原理、控制方法以及摩擦补偿策略。本文首先介绍了电机伺服系统的结构以及主要组成,包括控制器、驱动器、电机、测角元件。根据系统的要求对它们进行选型,利用它们的结构参数得到伺服控制系统总体的数学模型,以便进行后续的理论分析。控制器是系统的核心部件,它利用e QEP模块将来自于编码器的脉冲波进行解析得到角度信息,执行一定的控制算法,然后利用e PWM模块产生PWM波来传送给H桥驱动器。因此,软件程序主要围绕着TMS320F28335 DSP控制器编写。另外还编写了上位机软件程序,用于发送指令和显示位置和速度曲线。通过伯德图分析了校正前伺服系统的频率特性,然后采用PI控制和超前校正分别对电流环和位置环进行校正,取得了良好的控制效果。并且实现了伺服系统中的位置跟踪和速度跟踪。针对于电机系统的摩擦干扰问题,研究了几种常用的摩擦模型,并且通过simulink对摩擦进行建模,观察由摩擦带来的几种非线性问题,比如爬行、滞滑自振荡、过零点死区。本课题中提出了基于滑模干扰观测器的的摩擦补偿方案,仿真实验表明它对摩擦干扰有着很好的抑制效果。
【关键词】：电机 DSP 伺服控制 摩擦补偿
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM921.541
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义9
• 1.2 数字控制器的发展9-11
• 1.3 影响伺服系统精度的因素11-12
• 1.4 伺服控制及摩擦补偿的研究现状12-13
• 1.5 论文的主要内容13-15
• 第2章 控制系统的整体设计及建模15-24
• 2.1 引言15
• 2.2 电机伺服系统的总体结构15-16
• 2.3 系统主要模块的选择16-21
• 2.3.1 控制芯片的选型16-18
• 2.3.2 电机驱动器的选择18-19
• 2.3.3 测角元件的选择19-21
• 2.4 电机系统的数学模型的建立21-23
• 2.4.1 直流电机的数学模型21-22
• 2.4.2 直流电机模型的参数整定22
• 2.4.3 驱动电路的数学模型22-23
• 2.4.4 测角系统的数学模型23
• 2.5 本章小结23-24
• 第3章 控制系统的软件设计24-37
• 3.1 引言24
• 3.2 DSP开发环境和工具简介24-25
• 3.3 DSP的模块化程序设计25-32
• 3.3.1 eQEP模块25-30
• 3.3.2 ePWM模块30-32
• 3.4 上下位机的串口通信设计32-36
• 3.4.1 上位机程序设计32-35
• 3.4.2 下位机程序35-36
• 3.5 本章小结36-37
• 第4章 电机伺服系统的控制算法研究与实现37-51
• 4.1 未校正系统的结构和特性37-38
• 4.2 采样周期的选择38-39
• 4.3 控制器的设计方案39-46
• 4.3.1 电流环的设计39-41
• 4.3.2 电流环的离散化41-42
• 4.3.3 位置环的设计42-44
• 4.3.4 位置环的离散化44-46
• 4.4 伺服系统实验46-50
• 4.4.1 主要模块的测试46-48
• 4.4.2 位置控制48-49
• 4.4.3 速度控制49-50
• 4.5 本章小结50-51
• 第5章 摩擦现象的研究与补偿51-71
• 5.1 引言51
• 5.2 摩擦模型的介绍51-53
• 5.2.1 静态摩擦模型51-52
• 5.2.2 动态摩擦模型52-53
• 5.3 含有摩擦的电机系统的建立53-55
• 5.4 摩擦对伺服系统的影响55-60
• 5.4.1 死区现象的仿真实验55-57
• 5.4.2 爬行现象的仿真实验57-60
• 5.5 基于滑模扰动观测器的摩擦补偿方法60-70
• 5.5.1 滑模控制器设计60-64
• 5.5.2 反馈型扰动观测器的设计64-66
• 5.5.3 滑模扰动观测器的仿真效果66-69
• 5.5.4 SMDOB干扰抑制特性的频域分析69-70
• 5.6 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-75
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果75-77
• 致谢77

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本文编号：608415