大功率电动舵机设计研究
发布时间：2021-04-21 13:00
电动舵机是控制导弹飞行姿态的关键部件。目前电动舵机多为小功率型，本文结合某型装备研发，进行大功率高响应电动舵机的研制尝试，通过对其中关键技术的深入分析和研究，综合应用多种先进技术，并根据实际工作条件设计研发了一种采用无刷直流电机驱动的电动舵机，经仿真和样机试验，达到了设计技术指标要求。论文的主要工作和成果有：采用齿轮加滚珠丝杠的机构方案设计了电动舵机作动器。通过减速齿轮将电机降速，并经滚珠丝杠将电机的旋转运动变换为丝杠的直线运动。通过结构参数优化设计，保证电动舵机具有较大的承载能力、较小的转动惯量和较高的传动精度。采用基于DSP数字控制技术完成了电动舵机驱动控制器设计。主功率电路采用自举驱动，简化了辅助电源的数量，同时实现了无刷直流电机的四象限运行。电机减速采用能量再生制动，避免了反接制动带来大的电流冲击。控制器采用以PID为基础的电流、速度、位置三闭环控制策略，其中位置环采用模糊PID控制策略，以满足不同幅值、负载下系统高响应要求。研究了电动舵机的数学模型。通过对舵机系统各组成单元及环节的分析、研究，推导了电机轴转角到舵面摆角之间的数学方程，建立了基于无刷直流电机的电动舵机系统数学模...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
图表清单
注释表
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 电动舵机的国内外研究现状
1.3 控制算法设计
1.4 本文的研究目的及内容
1.4.1 研究目的
1.4.2 研究内容
第二章 电动舵机系统设计
2.1 电动舵机的系统设计
2.1.1 电动舵机系统组成
2.1.2 主要技术参数
2.2 机电作动器的设计
2.2.1 作动机构的设计
2.2.2 永磁无刷直流电机的设计
2.3 驱动控制器设计
2.3.1 功率电路
2.3.2 中央处理器
2.3.3 外部 AD 芯片的选取
2.3.4 电流反馈信号的采集
2.3.5 舵机位置反馈信号的采集
2.3.6 调理电路的设计
2.3.7 电机转子位置信号的检测
2.3.8 信号隔离电路
2.3.9 保护电路
2.3.10 驱动电路
2.3.10.1 驱动电路的原理
2.3.10.2 驱动电路自举电容的设计
2.3.10.3 驱动电路负偏电压的产生
2.3.11 CAN 总线通信
2.4 本章小结
第三章 电动舵机数学建模
3.1 电动舵机的工作原理
3.2 无刷直流电机及其数学模型
3.2.1 无刷直流电机工作原理
3.2.2 无刷直流电机的数学模型
3.3 传动机构数学模型
3.4 驱动器数学模型
3.5 反馈电位计数学模型
3.6 非线性环节数学模型
3.6.1 间隙非线性
3.6.2 摩擦非线性及 Stribeck 摩擦模型
3.6.3 饱和限幅非线性
3.7 舵机控制系统整体数学模型
3.8 本章小结
第四章 电动舵机控制器设计与仿真
4.1 电流环控制器设计
4.2 速度环控制器设计
4.3 位置环控制器设计
4.4 系统参数的修正
4.5 本章小结
第五章 电动舵机控制器软件设计
5.1 软件设计原理框图
5.2 控制算法及其软件实现
5.2.1 电流环控制
5.2.2 速度环控制
5.2.3 位置环控制
5.2.4 PID 控制策略
5.3 电机控制实现方法
5.3.1 BLDCM 的 PWM 调制方式
5.3.2 BLDCM 的制动
5.4 CAN 总线通信协议
5.5 控制软件框图
5.6 本章小结
第六章 电动舵机样机试验
6.1 测试方案
6.2 测试数据
6.2.1 空载性能实验
6.2.1.1 不同控制方式下系统性能比较
6.2.1.2 动态特性测试
6.2.2 负载性能实验
6.2.2.1 阶跃响应测试
6.2.2.2 频率特性测试
6.3 试验结果分析
第七章 结论
7.1 全文总结
7.2 研究展望
参考文献
致谢
在学习期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]改进型相邻耦合结构的多电机比例同步控制[J]. 胥小勇,孙宇,蒋清海. 仪器仪表学报. 2012(06)
[2]基于神经网络的电动舵回路容错控制方法研究[J]. 黄志毅,章卫国,顾伟,刘小雄. 机械与电子. 2012(04)
[3]基于模糊PID控制的新型伺服液压机位置控制系统研究[J]. 韩江,黄迪淼,夏链,李贵闪. 液压与气动. 2012(02)
[4]基于Stribeck摩擦模型的无刷直流电机控制系统设计与仿真[J]. 许宏,张怡,王凌,陈锡爱. 电机与控制应用. 2011(02)
[5]液压机压边力模糊PID智能控制系统研究[J]. 曹春平,孙宇. 中国机械工程. 2010(21)
[6]基于DSP前馈模糊PI的舵机控制算法[J]. 周小庆,李平,韩波. 计算机工程. 2010(14)
[7]数字样机技术在某型号运载火箭伺服机构设计中的应用[J]. 王亚军,陆豪,赵守军,杨海成. 宇航学报. 2009(01)
[8]基于Matlab的无刷直流电机的建模与仿真[J]. 朱娟娟. 科技广场. 2008(05)
[9]基于DSP的模糊神经网络控制算法在电阻炉上的应用[J]. 李界家,武彧,孙卫娜,刘喜梅. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2008(02)
[10]导弹电动舵机的研究现状及发展趋势[J]. 汪军林,解付强,刘玉浩. 飞航导弹. 2008(03)
硕士论文
[1]永磁无刷直流电动机位置伺服系统的研究[D]. 袁海宵.南京航空航天大学 2011
[2]高速无人机电动舵机控制器的设计与实现[D]. 周小庆.浙江大学 2010
[3]数字式导弹舵机伺服控制器的设计与开发[D]. 周杰.电子科技大学 2009
[4]快速大功率直流无刷型电动舵系统研究[D]. 张远虎.国防科学技术大学 2007
[5]船用蒸汽锅炉保护系统的研究[D]. 陈琳.吉林大学 2007
[6]模糊自适应PID控制研究及其在小型加热系统中的应用[D]. 王学芝.华侨大学 2006
[7]基于TMS320LF2407A数字化交流调速实验平台的研究[D]. 曹建文.太原理工大学 2006
[8]无刷直流电机的无位置和速度传感器控制的研究[D]. 周健.湖南大学 2006
[9]混合动力电动轿车用基于DSP的无刷直流电机控制方式研究[D]. 韦敏.西北工业大学 2005
[10]减摇鳍电动伺服系统的研究[D]. 张文波.哈尔滨工程大学 2005
本文编号：3151801
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
图表清单
注释表
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 电动舵机的国内外研究现状
1.3 控制算法设计
1.4 本文的研究目的及内容
1.4.1 研究目的
1.4.2 研究内容
第二章 电动舵机系统设计
2.1 电动舵机的系统设计
2.1.1 电动舵机系统组成
2.1.2 主要技术参数
2.2 机电作动器的设计
2.2.1 作动机构的设计
2.2.2 永磁无刷直流电机的设计
2.3 驱动控制器设计
2.3.1 功率电路
2.3.2 中央处理器
2.3.3 外部 AD 芯片的选取
2.3.4 电流反馈信号的采集
2.3.5 舵机位置反馈信号的采集
2.3.6 调理电路的设计
2.3.7 电机转子位置信号的检测
2.3.8 信号隔离电路
2.3.9 保护电路
2.3.10 驱动电路
2.3.10.1 驱动电路的原理
2.3.10.2 驱动电路自举电容的设计
2.3.10.3 驱动电路负偏电压的产生
2.3.11 CAN 总线通信
2.4 本章小结
第三章 电动舵机数学建模
3.1 电动舵机的工作原理
3.2 无刷直流电机及其数学模型
3.2.1 无刷直流电机工作原理
3.2.2 无刷直流电机的数学模型
3.3 传动机构数学模型
3.4 驱动器数学模型
3.5 反馈电位计数学模型
3.6 非线性环节数学模型
3.6.1 间隙非线性
3.6.2 摩擦非线性及 Stribeck 摩擦模型
3.6.3 饱和限幅非线性
3.7 舵机控制系统整体数学模型
3.8 本章小结
第四章 电动舵机控制器设计与仿真
4.1 电流环控制器设计
4.2 速度环控制器设计
4.3 位置环控制器设计
4.4 系统参数的修正
4.5 本章小结
第五章 电动舵机控制器软件设计
5.1 软件设计原理框图
5.2 控制算法及其软件实现
5.2.1 电流环控制
5.2.2 速度环控制
5.2.3 位置环控制
5.2.4 PID 控制策略
5.3 电机控制实现方法
5.3.1 BLDCM 的 PWM 调制方式
5.3.2 BLDCM 的制动
5.4 CAN 总线通信协议
5.5 控制软件框图
5.6 本章小结
第六章 电动舵机样机试验
6.1 测试方案
6.2 测试数据
6.2.1 空载性能实验
6.2.1.1 不同控制方式下系统性能比较
6.2.1.2 动态特性测试
6.2.2 负载性能实验
6.2.2.1 阶跃响应测试
6.2.2.2 频率特性测试
6.3 试验结果分析
第七章 结论
7.1 全文总结
7.2 研究展望
参考文献
致谢
在学习期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]改进型相邻耦合结构的多电机比例同步控制[J]. 胥小勇,孙宇,蒋清海. 仪器仪表学报. 2012(06)
[2]基于神经网络的电动舵回路容错控制方法研究[J]. 黄志毅,章卫国,顾伟,刘小雄. 机械与电子. 2012(04)
[3]基于模糊PID控制的新型伺服液压机位置控制系统研究[J]. 韩江,黄迪淼,夏链,李贵闪. 液压与气动. 2012(02)
[4]基于Stribeck摩擦模型的无刷直流电机控制系统设计与仿真[J]. 许宏,张怡,王凌,陈锡爱. 电机与控制应用. 2011(02)
[5]液压机压边力模糊PID智能控制系统研究[J]. 曹春平,孙宇. 中国机械工程. 2010(21)
[6]基于DSP前馈模糊PI的舵机控制算法[J]. 周小庆,李平,韩波. 计算机工程. 2010(14)
[7]数字样机技术在某型号运载火箭伺服机构设计中的应用[J]. 王亚军,陆豪,赵守军,杨海成. 宇航学报. 2009(01)
[8]基于Matlab的无刷直流电机的建模与仿真[J]. 朱娟娟. 科技广场. 2008(05)
[9]基于DSP的模糊神经网络控制算法在电阻炉上的应用[J]. 李界家,武彧,孙卫娜,刘喜梅. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2008(02)
[10]导弹电动舵机的研究现状及发展趋势[J]. 汪军林,解付强,刘玉浩. 飞航导弹. 2008(03)
硕士论文
[1]永磁无刷直流电动机位置伺服系统的研究[D]. 袁海宵.南京航空航天大学 2011
[2]高速无人机电动舵机控制器的设计与实现[D]. 周小庆.浙江大学 2010
[3]数字式导弹舵机伺服控制器的设计与开发[D]. 周杰.电子科技大学 2009
[4]快速大功率直流无刷型电动舵系统研究[D]. 张远虎.国防科学技术大学 2007
[5]船用蒸汽锅炉保护系统的研究[D]. 陈琳.吉林大学 2007
[6]模糊自适应PID控制研究及其在小型加热系统中的应用[D]. 王学芝.华侨大学 2006
[7]基于TMS320LF2407A数字化交流调速实验平台的研究[D]. 曹建文.太原理工大学 2006
[8]无刷直流电机的无位置和速度传感器控制的研究[D]. 周健.湖南大学 2006
[9]混合动力电动轿车用基于DSP的无刷直流电机控制方式研究[D]. 韦敏.西北工业大学 2005
[10]减摇鳍电动伺服系统的研究[D]. 张文波.哈尔滨工程大学 2005
本文编号：3151801
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