基于DSP的无刷直流电机舵机系统的设计与研究

发布时间：2017-08-15 18:34

  本文关键词：基于DSP的无刷直流电机舵机系统的设计与研究

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【摘要】：舵机作为飞行器制导的直接执行机构,其性能的好坏对其制导精度具有决定性的影响。由于制导飞行器的舵机需要适应其特殊的使用环境,要求舵机系统必须具有足够大的输出力矩,够快的响应速度、较小的体积、高可靠性等特点。电动舵机具有控制性能好、可靠性高,体积小、重量轻、易于维护等优点,能满足现代制导飞行器的特殊要求,是目前舵机研究的重点方向。本文旨在完成一套电动舵机样机设计与开发,用高性能的数字处理器DSP作为系统的控制核心,应用现代的智能控制技术实现舵机的全数字化和智能化,提高电动舵机的性能。本文首先介绍了舵机系统的整体结构,并对电动舵机的各个部分进行简要的分析,重点分析了无刷直流电机的工作原理与数学模型。根据电动舵机各部分结构与数学模型,依照实际电动舵机各部分组建形式,在Simulink中搭建了电动舵机系统的整体仿真模型。根据电动舵机的性能要求,系统采用三闭环控制策略,内环电流环和速度环采用PI控制。位置环作为控制器的最外环,对舵机的性能具有决定性的影响,本文采用了PID控制、模糊PID控制以及变论域模糊PID控制三种不同的控制算法,并在所搭建的仿真模型上进行了仿真对比试验,并分析了不同的控制算法下舵机系统的快速响应性能与跟踪性能。仿真结果表明,变论域模糊PID控制算法性能最优,模糊PID控制算法次之,PID控制性能较差。其次根据电动舵机系统的整体结构,选取TI公司的TMS320F28335型DSP处理器作为控制器的核心,完成了舵机系统的软硬件设计。电动舵机硬件部分,依据系统要求以及DSP处理器的外围设备,设计了DSP的最小系统电路,SCI串口通讯模块、电机驱动模块以及各部分信号调理电路。软件部分完成了DSP主程序设计、中断处理程序设计、以及各环的控制算法程序设计。其中控制算法程序是系统的核心,参照仿真实验,舵机系统的电流环和速度环采用PI控制算法,位置环实现了DSP的PID控制算法与模糊PID控制算。最后,对舵机系统进行软硬调试,并在所设计的电动舵机样机上对不同控制算法进行了对比实验,实验结果与仿真结果基本相吻合,模糊PID的控制算法较优。同时实验结果表明,本文所设计的电动舵机系统方案可行,基本达到舵机系统的位置伺服性能和控制指标要求。
【关键词】：电动舵机 无刷直流电机 DSP 变论域模糊控制
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1;TM33
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 课题研究的背景及意义10
• 1.2 电动舵机系统的国内外研究现状10-11
• 1.3 电动舵机发展趋势11-13
• 1.3.1 电机性能的改善11-12
• 1.3.2 控制器技术的发展12
• 1.3.3 先进控制算法的应用12-13
• 1.4 本论文的主要研究内容13-14
• 第2章 电动舵机系统的建模14-25
• 2.1 电动舵机系统的结构14
• 2.1.1 电动舵机系统的组成14
• 2.1.2 电动舵机系统的工作原理14
• 2.2 无刷直流电机的数学模型14-16
• 2.3 电动舵机控制系统仿真模型16-24
• 2.3.1 无刷直流电机本体模块17-19
• 2.3.2 逻辑换相模块19-22
• 2.3.3 逆变模块22-23
• 2.3.4 系统总体仿真模型23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 电动舵机系统控制算法设计与仿真25-46
• 3.1 舵机系统性能要求与技术指标25
• 3.2 PID控制算法与仿真25-29
• 3.2.1 PID控制算法原理25-27
• 3.2.2 仿真结果与分析27-29
• 3.3 模糊PID控制器设计与仿真29-38
• 3.3.1 模糊控制基本理论29
• 3.3.2 模糊控制的基本原理29-33
• 3.3.3 模糊PID控制器的设计33-36
• 3.3.4 模糊PID控制器的仿真分析36-38
• 3.4 变论域模糊PID控制器设计与仿真38-43
• 3.4.1 变论域模糊控制算法原理分析38-39
• 3.4.2 变论域模糊PID控制的设计39-41
• 3.4.3 变论域模糊PID控制仿真分析41-43
• 3.5 PID控制、模糊PID控制及变论域模糊PID控制对比分析43-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第4章 基于DSP的舵机系统硬件设计46-57
• 4.1 微处理器控制电路46-49
• 4.1.1 TMS320F28335的主要性能46-47
• 4.1.2 DSP最小系统硬件电路设计47-49
• 4.2 通信接口电路49
• 4.3 隔离驱动与功率放大电路49-50
• 4.4 三相逆变电路50-51
• 4.5 永磁无刷直流电机51
• 4.6 舵机执行机构51-52
• 4.7 信号检测与调理电路52-56
• 4.7.1 电流检测电路52-53
• 4.7.2 过流检测电路53-54
• 4.7.3 转子位置霍尔信号检测电路54-55
• 4.7.4 电机转速检测55-56
• 4.8 本章小结56-57
• 第5章 基于DSP的舵机系统软件设计57-63
• 5.1 主程序模块功能及流程57
• 5.2 中断服务子程序模块57-59
• 5.2.1 串行通信SCI接收中断57-58
• 5.2.2 定时器中断58-59
• 5.2.3 eCAP捕获中断59
• 5.2.4 过流保护中断59
• 5.3 控制算法程序59-63
• 5.3.1 电流环控制算法59-60
• 5.3.2 速度环控制算法60-61
• 5.3.3 位置环控制算法61-62
• 5.3.4 本章小结62-63
• 第6章 舵机系统样机实验63-66
• 6.1 阶跃响应测试63-64
• 6.2 跟踪性能测试64-65
• 6.3 本章小结65-66
• 第7章 总结与展望66-68
• 7.1 总结66
• 7.2 展望66-68
• 参考文献68-71
• 致谢71-72
• 硕士学位期间学术论文与研究成果72

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本文编号：679710