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飞行器电动舵机系统的设计与实现

作　者: 陆红
导　师: 田凯; 刘强
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制工程
关键词: 电动舵机伺服系统永磁直流电机谐波齿轮减速器三环控制
分类号: V249.122
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

舵机是飞行器控制系统的重要组成部分，是联系飞行控制指令和操纵元件的设备，它将控制指令信息转换为机械运动，直接或（通过操纵机构）间接驱动操纵元件，是一个高精度的位置伺服系统，其动态特性和静态特性直接影响到控制系统的操纵性能。本文结合工程应用的实际背景，针对电动舵机的需求，开展电动舵机的相关设计技术以及相关工程应用问题等研究，重点完成了两个方面的研究工作。首先，根据舵机性能指标要求，进行了舵机总体方案设计。通过分解具体的设计指标，综合考虑输出转速和输出力矩，进行了电机、传动机构（减速器）、控制器、驱动器、反馈电位计、控制方法等方案对比分析，完成了舵机总体方案设计，确定了以稀土永磁直流电机、谐波齿轮减速器为主的一体化设计方案。在此基础上，进行了电机参数、减速器、角度传感器和控制器的参数设计，重点对永磁直流电机能力、谐波减速器减速比选择、传感器参数选择、控制器结构等方面进行设计，保证了舵机具备满足大功率和快速响应的能力。然后，完成了舵机控制回路设计。考虑到工程应用成熟性和工程需求的急迫性，采用典型的电流环、速度环、位置环三环控制体制，完成了舵机回路控制系统设计和建模仿真，获得了舵机的时域特性和频域特性。从数学仿真结果来看，设计的舵机满足大功率输出条件下的性能指标要求。在数学仿真基础上，结合工程研制进展情况，对舵机进行了实物测试。通过额定负载和最大负载条件下的相关性能测试，验证了设计的舵机满足大负载、快速性和高频带要求，控制系统设计有效，并具有较强的抗负载干扰能力。根据上述工作，实现了大功率快响应电动舵机的工程设计，对大功率电动舵系统设计具有一定的工程参考价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题研究的背景和意义  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-17
    1.2.1 国外研究现状  12-16
    1.2.2 国内研究现状  16-17
  1.3 论文主要工作及结构安排  17-18
第2章电动舵机的基本原理及总体方案设计  18-34
  2.1 工作原理  18-19
  2.2 主要性能指标要求  19-20
  2.3 驱动机构的结构与数学模型  20-25
    2.3.1 电机  20-21
    2.3.2 传动机构  21-25
  2.4 控制策略  25-28
    2.4.1 PID 控制  26-27
    2.4.2 变结构控制  27
    2.4.3 智能控制  27-28
  2.5 舵机总体方案设计  28-33
    2.5.1 工作原理和工作过程  28-29
    2.5.2 电机设计  29-30
    2.5.3 减速器设计  30-31
    2.5.4 输出轴设计  31
    2.5.5 传感器设计  31
    2.5.6 控制器设计  31-33
  2.6 本章小结  33-34
第3章舵系统控制回路设计与仿真  34-51
  3.1 控制回路设计  34-42
    3.1.1 舵机模型本体模型建立  34-36
    3.1.2 舵系统控制回路原理  36-37
    3.1.3 加上电流环后的数学模型分析  37-38
    3.1.4 加上速度环后的数学模型及分析  38-39
    3.1.5 加上电流、速度双环时的数学模型及分析  39-41
    3.1.6 位置环的数学模型及分析  41-42
  3.2 参数设计分析  42-46
    3.2.1 电机仿真分析  42-43
    3.2.2 电流调节器参数选择及仿真分析  43-44
    3.2.3 速度调节器参数选择及仿真分析  44-45
    3.2.4 位置调节器参数选择及仿真分析  45-46
  3.3 性能指标的计算分析  46-50
    3.3.1 时域特性分析  47-48
    3.3.2 速度特性分析  48-49
    3.3.3 电流特性分析  49
    3.3.4 频域特性分析  49-50
  3.4 本章小结  50-51
第4章舵系统测试及结果分析  51-61
  4.1 时域特性测试  51-52
  4.2 大阶跃信号测试  52-54
  4.3 不同力矩状态扫频特性测试  54
  4.4 舵机简化模型建立  54-55
  4.5 额定负载频率特性测试  55-57
  4.6 大力矩负载频率特性测试  57-59
  4.7 本章小结  59-61
结论  61-63
参考文献  63-66
致谢  66

飞行器电动舵机系统的设计与实现

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