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弹用舵机控制技术研究

作　者: 王一诚
导　师: 周华平；丁楚平
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制工程
关键词: 电动舵机数字信号处理器(DSP) 无刷直流电动机模糊自整定PID
分类号: TM921.541
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 222次
引　用: 1次
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内容摘要

随着航天科技的不断发展,电动舵机的应用日益广泛,正逐步代替液压舵机和气动舵机。电动舵机不仅能够提高伺服系统的性能,同时可降低系统的重量和维护费用。本文设计了一套全数字导弹舵机伺服系统,该系统以无刷直流电机作为伺服电机,采用三闭环的控制策略,实现舵面位置的高性能跟踪,以满足导弹舵机的高精度、高灵敏度和高可靠性要求。论文首先介绍了舵机系统的组成、工作原理以及系统总体方案,详细分析了舵机系统各组成部分的数学模型,推导出电动舵机系统的总数学模型。论文的第二部分根据导弹对舵机系统的指标要求,采用基于电流环比例调节器、速度环PI调节器、位置环模糊自整定PID调节器的三闭环控制方法,从而实现导弹舵机系统的全数字控制。文章重点介绍了基于位置环模糊自整定PID调节器的基本原理和方法,并通过仿真分析对算法进行了验证。论文的第三部分详细介绍了系统的硬件和软件设计,完成了基于TMS320LF2407数字信号处理器(DSP)为核心的控制器和无刷直流电机驱动器等硬件的设计以及基于三闭环控制算法的软件设计。论文的第四部分对舵机系统样机进行了试验测试,试验结果表明系统具有良好的静态和动态性能。论文最后对本文的工作进行了总结,并对舵机控制系统后续改进工作进行了展望。

全文目录

摘要  7-8
ABSTRACT  8-9
第一章绪论  9-16
  1.1 论文研究背景、意义及课题来源  9-10
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  10-15
    1.2.1 国外导弹电动舵机研究现状  10-11
    1.2.2 国内导弹电动舵机研究现状  11-12
    1.2.3 导弹电动舵机发展趋势  12-15
  1.3 本论文的主要研究内容  15
  1.4 论文的结构安排  15-16
第二章电动舵机系统总体方案与数学模型的建立  16-31
  2.1 电动舵机系统总体方案  16-18
    2.1.1 电动舵机系统组成与工作原理  16-17
    2.1.2 舵机系统设计方案  17-18
      2.1.2.1 DSP控制单元  17
      2.1.2.2 功率主电路、驱动电路、主电流采样电路  17-18
      2.1.2.3 舵机转角检测电路及速度计算  18
      2.1.2.4 无刷直流电机  18
      2.1.2.5 减速器  18
  2.2 电动舵机系统模型建立  18-29
    2.2.1 无刷直流电机及其数学模型  19-26
      2.2.1.1 无刷直流电机组成  19
      2.2.1.2 无刷直流电机的工作原理  19-23
      2.2.1.3 无刷直流电机的数学模型  23-26
    2.2.2 驱动器数学模型  26-27
    2.2.3 减速传动机构的数学模型  27-28
    2.2.4 反馈电位器数学模型  28-29
    2.2.5 控制器数学模型  29
    2.2.6 电动舵机系统数学模型  29
  2.3 本章小结  29-31
第三章电动舵机系统控制器设计与仿真  31-44
  3.1 导弹对舵机系统的性能要求  31
  3.2 舵机控制器性能分析  31-32
  3.3 电流环调节器设计  32-33
  3.4 速度环调节器设计  33-34
  3.5 位置环调节器设计  34-40
    3.5.1 模糊自整定PID控制器的原理  34-35
    3.5.2 模糊自整定PID控制器的设计  35-40
      3.5.2.1 确定输入、输出变量并模糊化  35-36
      3.5.2.2 模糊规则表建立  36-38
      3.5.2.3 隶属函数  38
      3.5.2.4 模糊推理  38-40
  3.6 电动舵机系统仿真分析  40-43
    3.6.1 电动舵机系统线性化条件下的传递函数  40-41
    3.6.2 采用模糊自整定PID调节器仿真分析  41-43
  3.7 本章小结  43-44
第四章系统硬件设计  44-55
  4.1 TMS320LF2407A DSP芯片概述  44-45
    4.1.1 TMS320LF2407A事件管理器  44-45
    4.1.2 TMS320LF2407A中断处理系统  45
  4.2 DSP最小系统及扩展电路设计  45-48
    4.2.1 电源转换及复位电路  45-46
    4.2.2 在线仿真调试JTAG口和外扩存储器  46
    4.2.3 PWM波形产生原理与PWM输出隔离电路  46-48
  4.3 转子位置检测电路设计  48-50
  4.4 电流检测电路设计  50
  4.5 转角控制信号接口电路设计  50-51
  4.6 舵面位置检测电路设计  51
  4.7 主功率电路设计  51-52
    4.7.1 功率器件选取  51-52
    4.7.2 主功率电路设计  52
  4.8 驱动电路设计  52-53
  4.9 保护电路设计  53-54
  4.10 本章小结  54-55
第五章系统软件设计  55-66
  5.1 系统软件设计概述  55
  5.2 主程序设计  55-58
  5.3 中断服务程序设计  58-62
    5.3.1 捕获中断服务程序  58-61
    5.3.2 A/D转换中断服务程序  61-62
  5.4 校正环节程序设计  62-65
    5.4.1 位置调节程序设计  62-63
    5.4.2 速度调节程序设计  63-64
    5.4.3 电流调节子程序设计  64-65
  5.5 本章小结  65-66
第六章舵机系统样机试验测试  66-70
  6.1 试验前状态  66-67
  6.2 空载条件下动态特性测试  67
  6.3 舵机系统加载条件跟随特性试验  67-68
  6.4 弹体系侧向过载试验  68
  6.5 弹体系俯仰、偏航系统试验  68-69
  6.6 本章小结  69-70
第七章总结与展望  70-72
  7.1 工作总结  70
  7.2 后续工作展望  70-72
致谢  72-73
参考文献  73-75
作为第一作者发表的学术论文  75

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