高可靠电动舵机控制器的研究与设计
发布时间：2021-08-13 16:06
舵机作为伺服控制系统的重要部件,其性能的优劣直接影响伺服系统的整体性能。电动舵机以其结构简单、可靠性高、体积小等特点成为目前研究的热点。随着电力电子技术和永磁电机的发展,高功率密度、体积小巧、结构简单、控制灵活的新型的永磁无刷直流电机在火箭、飞机、导弹等飞行器领域得到了广泛应用,同时对飞行器控制系统的高可靠、高灵敏度、高精度等性能要求越来越高。本文以高性能的数字信号处理器为控制单元,采用现代智能控制技术来设计一套高性能、高可靠的电动舵机控制器。并以永磁无刷直流电机为控制对象,简要介绍了电动舵机的结构,重点分析无刷直流电机是如何工作的,并推导分析了被控对象的数学模型,设计了一套体积小、可靠性高的硬件电路。考虑到工程应用的急迫性和成熟性的需要,采用了典型的电流环-速度环-位置环的三闭环控制策略。而位置环作为控制系统中最关键的部分,采用了精度高、体积小的电涡流式角位移传感器作为反馈装置,以提高系统的可靠性和控制精度。控制器性能由已建立的测试平台验证。结果证明,控制器达到了设计标准,可靠性高,拥有一定的工程参考价值。论文主要内容如下:1.给出了控制器的设计标准。介绍了控制对象的组成和原理,并建...
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电流保护逻辑框图
第 40 页 上海应用技术大学 硕士学位论文将示波器的总线分析功能开启，并设置为 UART 解码模式。图 5.2 为串口通讯的测试结果图。从图中可以读出控制器的接受指令周期为 5ms，发送指令周期为 10ms。图中 2通道为串口接收波形，共 8 个字节，字节 55H、AAH 为帧头，字节 04H 为有效数据长度，字节 12H 代表模块当前的工作状态，字节 00H、00H 表示当前输入量，第七个字节00H 为备用位，最后一个字节为校验和。图中 4 通道为串口通信发送波形，共 11 个字节，帧头为 55H、AAH，数据长度为 07H，CCH 为当前工作状态，五、六字节表示舵机的位置信息，七、八字节为转速信息九、十字节为采集的电流信息，第十一个字节为校验和。从示波器的检测结果分析可知串口通讯功能正常。
图 5.4 电流保护信号测试波形Fig. 5.4 The test waveform of current protection设计合适的电流保护阈值对控制系统工作的可靠性至关重要。阈值设置的太大虽然能够保证系统有着较大的过载能力，一旦故障发生，电路将长时间承受过载的电流，会造成硬件电路的出现不可恢复的故障甚至损坏电机；阈值设置的太小虽然能对硬件电路和电机起到保护作用，但却因为保护的灵敏度过高造成过流保护故障的误触发，使控制器的可靠性得不到保证。从图 5.4 可以看出电压的保护阈值为 0.34V 到 2.78V。根据电流传感器手册可退出电流保护阈值为 5A。与软件上设置的电流阈值相吻合。5.2.3 霍尔检测及转速解调逻辑测试为了验证霍尔状态信号是否正常，以示波器为测试工具，检测电机中集成的三相霍尔信号输出是否正常，同时还要检测 CPLD 对三相霍尔信号进行逻辑处理后输出的霍尔信号。图 5.5 为实验测试图形。图中的蓝红黄三个通道分别对应了电机的三相霍尔信号最后的一个绿色的通道是经过 CPLD 处理后输出的霍尔信号。从图中的信息分析可知，绿色通道的霍尔信号的电平转换时间为 620us，而系统的ECAP 的计数脉冲周期为 25us,电机的极对数 P=3，代入转速计算公式的到电机转速为
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种数字无刷电动舵机控制系统的设计[J]. 付克亚. 航空兵器. 2018(04)
[2]无刷直流电机模糊参数自适应PID控制[J]. 荆建立,王艳春,朱永庆. 控制工程. 2018(05)
[3]一种基于DSP的高速无刷直流电机伺服系统设计[J]. 王媛媛,段宇鹏,朱娜,蒋鸿翔. 航空精密制造技术. 2018(02)
[4]机电一体化灵巧舵机控制器设计[J]. 李红燕,和阳,朱纪洪,和卫星. 微特电机. 2016(12)
[5]中大功率航天电动伺服机构发展综述[J]. 郭洪根,王指国. 导航定位与授时. 2016(03)
[6]机载导弹一控四电动舵机控制器研究与设计[J]. 张驰. 电子设计工程. 2015(20)
[7]一种减小无刷直流电机换相转矩脉动的调制方法[J]. 王大方,卜德明,朱成,周传炜,杨博文. 电工技术学报. 2014(05)
[8]一控四电动舵机控制器设计[J]. 李志,齐蓉,戴志勇. 微电机. 2013(04)
[9]基于DSP+CPLD的无刷直流电机三环控制设计[J]. 张爱军,程时兵,朱军伟,庞丽娟. 电力电子技术. 2012(11)
[10]基于滑模观测器与分数阶锁相环的无传感器PMSM矢量控制（英文）[J]. 黄家才,李宏胜,徐庆宏. 中国科学技术大学学报. 2012(08)
硕士论文
[1]组合式舵机控制器的研究与设计[D]. 宋晗.江苏大学 2017
[2]基于多核DSP的导控一体化弹载计算机设计[D]. 孔得鹏.北京理工大学 2016
[3]电涡流式角位移传感器及二次仪表的优化设计与分析[D]. 陈石煤.哈尔滨工业大学 2015
[4]飞行器永磁同步电动舵机控制系统研究与设计[D]. 荀倩.南京航空航天大学 2015
[5]基于TMS320F28069的伺服控制系统研究[D]. 高宽.浙江大学 2015
[6]飞行器电动舵机设计与研究[D]. 苏翀.上海交通大学 2013
[7]基于TMS320F28035的永磁同步电机伺服驱动器硬件设计[D]. 蒋书斌.西安电子科技大学 2013
[8]飞行器电动舵机系统的设计与实现[D]. 陆红.哈尔滨工程大学 2012
[9]基于DSP的小型电动舵机伺服控制系统研究[D]. 张元.南京理工大学 2012
[10]弹用舵机控制技术研究[D]. 王一诚.国防科学技术大学 2009
本文编号：3340732
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电流保护逻辑框图
第 40 页 上海应用技术大学 硕士学位论文将示波器的总线分析功能开启，并设置为 UART 解码模式。图 5.2 为串口通讯的测试结果图。从图中可以读出控制器的接受指令周期为 5ms，发送指令周期为 10ms。图中 2通道为串口接收波形，共 8 个字节，字节 55H、AAH 为帧头，字节 04H 为有效数据长度，字节 12H 代表模块当前的工作状态，字节 00H、00H 表示当前输入量，第七个字节00H 为备用位，最后一个字节为校验和。图中 4 通道为串口通信发送波形，共 11 个字节，帧头为 55H、AAH，数据长度为 07H，CCH 为当前工作状态，五、六字节表示舵机的位置信息，七、八字节为转速信息九、十字节为采集的电流信息，第十一个字节为校验和。从示波器的检测结果分析可知串口通讯功能正常。
图 5.4 电流保护信号测试波形Fig. 5.4 The test waveform of current protection设计合适的电流保护阈值对控制系统工作的可靠性至关重要。阈值设置的太大虽然能够保证系统有着较大的过载能力，一旦故障发生，电路将长时间承受过载的电流，会造成硬件电路的出现不可恢复的故障甚至损坏电机；阈值设置的太小虽然能对硬件电路和电机起到保护作用，但却因为保护的灵敏度过高造成过流保护故障的误触发，使控制器的可靠性得不到保证。从图 5.4 可以看出电压的保护阈值为 0.34V 到 2.78V。根据电流传感器手册可退出电流保护阈值为 5A。与软件上设置的电流阈值相吻合。5.2.3 霍尔检测及转速解调逻辑测试为了验证霍尔状态信号是否正常，以示波器为测试工具，检测电机中集成的三相霍尔信号输出是否正常，同时还要检测 CPLD 对三相霍尔信号进行逻辑处理后输出的霍尔信号。图 5.5 为实验测试图形。图中的蓝红黄三个通道分别对应了电机的三相霍尔信号最后的一个绿色的通道是经过 CPLD 处理后输出的霍尔信号。从图中的信息分析可知，绿色通道的霍尔信号的电平转换时间为 620us，而系统的ECAP 的计数脉冲周期为 25us,电机的极对数 P=3，代入转速计算公式的到电机转速为
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种数字无刷电动舵机控制系统的设计[J]. 付克亚. 航空兵器. 2018(04)
[2]无刷直流电机模糊参数自适应PID控制[J]. 荆建立,王艳春,朱永庆. 控制工程. 2018(05)
[3]一种基于DSP的高速无刷直流电机伺服系统设计[J]. 王媛媛,段宇鹏,朱娜,蒋鸿翔. 航空精密制造技术. 2018(02)
[4]机电一体化灵巧舵机控制器设计[J]. 李红燕,和阳,朱纪洪,和卫星. 微特电机. 2016(12)
[5]中大功率航天电动伺服机构发展综述[J]. 郭洪根,王指国. 导航定位与授时. 2016(03)
[6]机载导弹一控四电动舵机控制器研究与设计[J]. 张驰. 电子设计工程. 2015(20)
[7]一种减小无刷直流电机换相转矩脉动的调制方法[J]. 王大方,卜德明,朱成,周传炜,杨博文. 电工技术学报. 2014(05)
[8]一控四电动舵机控制器设计[J]. 李志,齐蓉,戴志勇. 微电机. 2013(04)
[9]基于DSP+CPLD的无刷直流电机三环控制设计[J]. 张爱军,程时兵,朱军伟,庞丽娟. 电力电子技术. 2012(11)
[10]基于滑模观测器与分数阶锁相环的无传感器PMSM矢量控制（英文）[J]. 黄家才,李宏胜,徐庆宏. 中国科学技术大学学报. 2012(08)
硕士论文
[1]组合式舵机控制器的研究与设计[D]. 宋晗.江苏大学 2017
[2]基于多核DSP的导控一体化弹载计算机设计[D]. 孔得鹏.北京理工大学 2016
[3]电涡流式角位移传感器及二次仪表的优化设计与分析[D]. 陈石煤.哈尔滨工业大学 2015
[4]飞行器永磁同步电动舵机控制系统研究与设计[D]. 荀倩.南京航空航天大学 2015
[5]基于TMS320F28069的伺服控制系统研究[D]. 高宽.浙江大学 2015
[6]飞行器电动舵机设计与研究[D]. 苏翀.上海交通大学 2013
[7]基于TMS320F28035的永磁同步电机伺服驱动器硬件设计[D]. 蒋书斌.西安电子科技大学 2013
[8]飞行器电动舵机系统的设计与实现[D]. 陆红.哈尔滨工程大学 2012
[9]基于DSP的小型电动舵机伺服控制系统研究[D]. 张元.南京理工大学 2012
[10]弹用舵机控制技术研究[D]. 王一诚.国防科学技术大学 2009
本文编号：3340732
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