机电一体化灵巧舵机控制系统设计

发布时间：2017-07-17 11:04

  本文关键词：机电一体化灵巧舵机控制系统设计

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【摘要】：电动舵机是一种复杂的机电一体化系统,是飞机、导弹等飞行器飞行控制系统的关键组成部分,其性能的好坏直接决定了整个飞行器性能的优劣。随着电力电子技术和永磁电机的发展,新型永磁无刷直流电机以其体积小、功率密度高、结构简单、控制灵活等诸多优点,已广泛应用于电动舵机系统。本文采用盘式无刷直流电机作为电动舵机系统的动力源,对其结构特点、工作原理、驱动方式分别展开分析,并对其数学模型和传递函数进行了推导。研制了一套体积小、结构紧凑、可靠性高的硬件电路,设计了位置、转速、电流三闭环控制算法,以得到较好的控制精度。为了验证所设计硬件系统的可靠性和控制策略的可行性,搭建了实验平台,并对原理样机进行了测试实验。结果表明,所研制的舵机系统满足控制性能要求,具有灵巧的一体化特点,具有很高的应用价值。论文研究的内容主要包括以下几个方面:1.提出了电动舵机伺服系统关键技术指标。分析了舵机用无刷直流电机的结构与基本原理,得到了等效电路图,建立了无刷直流电机的动力学模型,并推导出了电动舵机的传递函数。2.针对整个驱动系统,研制了一套以DSP+CPLD为核心控制架构的智能功率驱动电路,包括主电源滤波及转换电路、电流检测与过流保护电路、位置检测与旋变激励信号调理电路、串口通信及其外围电路。3.根据无刷直流电机的运行特点及数学模型,设计了位置、转速、电流三闭环控制算法,其中位置环采用比例积分控制,速度环、电流环均采用比例控制。在DSP主控制器中设计了控制模块、定时器模块、采样模块和串口通信等模块。在CPLD辅助控制器中设计了Hall换相逻辑、舵机转动方向解算逻辑、位置超限和过流保护等逻辑。4.搭建了完整的实验驱动平台,对原理样机进行了控制性能测试实验,并对结果进行了详细地描述和分析。
【关键词】：舵机 无刷直流电机 DSP CPLD PID控制
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1;TJ765.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题研究的背景和意义10
• 1.2 国内外电动舵机系统的研究现状10-12
• 1.3 电动舵机伺服驱动系统的发展现状12-14
• 1.3.1 伺服电机的发展12-13
• 1.3.2 控制器的发展13-14
• 1.3.3 控制方法的研究现状14
• 1.4 本论文的内容安排14-16
• 第二章 电动舵机的原理及数学模型16-24
• 2.1 引言16
• 2.2 电动舵机伺服系统关键技术指标16-17
• 2.2.1 舵机主要结构参数16
• 2.2.2 机械性能指标16
• 2.2.3 系统闭环特性指标16-17
• 2.3 电动舵机伺服驱动系统的结构与工作原理17
• 2.4 电动舵机伺服驱动系统的数学模型17-23
• 2.4.1 无刷直流电机的结构18
• 2.4.2 三相全桥驱动电路及绕组导通方式18
• 2.4.3 PWM驱动方式18-20
• 2.4.4 无刷直流电机的数学模型20-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第三章 电动舵机驱动系统的硬件电路设计24-42
• 3.1 引言24
• 3.2 系统硬件总体设计24-25
• 3.3 系统控制器电路设计25-28
• 3.3.1 主控制器电路设计25-26
• 3.3.2 辅助控制器电路设计26-28
• 3.4 系统外围电路设计28-40
• 3.4.1 主电源滤波电路28-29
• 3.4.2 二次电源转换电路29-30
• 3.4.3 智能驱动电路30-33
• 3.4.4 电流检测与过流保护电路33-36
• 3.4.5 位置检测与旋变激励信号调理电路36-40
• 3.4.6 串口通信电路40
• 3.5 本章小结40-42
• 第四章 电动舵机控制系统的软件设计42-53
• 4.1 引言42
• 4.2 系统软件总体设计42
• 4.3 DSP软件设计42-50
• 4.3.1 控制模块设计43-45
• 4.3.2 定时器模块设计45
• 4.3.3 信号采集模块设计45-47
• 4.3.4 串口通信模块设计47-50
• 4.4 CPLD软件设计50-52
• 4.4.1 Hall换相逻辑运算单元51
• 4.4.2 舵机转速方向解算单元51
• 4.4.3 逻辑保护单元51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第五章 实验结果与分析53-65
• 5.1 引言53
• 5.2 实验平台的搭建53-56
• 5.3 实验结果分析56-64
• 5.3.1 串口通信模块测试分析56-57
• 5.3.2 稳态实验测试分析57-60
• 5.3.3 动态实验测试分析60-64
• 5.4 本章小结64-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 6.1 总结65-66
• 6.2 展望66-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-71
• 攻读硕士学位期间的学术成果71

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本文编号：553261