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弹载电动舵机控制系统研究

作　者: 傅强
导　师: 易文俊
学　校: 南京理工大学
专　业: 电路与系统
关键词: 电动舵机无刷直流电机控制器模糊PI控制
分类号: TM33
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

弹载电动舵机作为制导炮弹的控制执行机构,其性能在制导炮弹控制系统中起着举足轻重的作用。由于制导炮弹的舵机要适应高动态环境(发射过载高、初速高、转速高等)和小体积等要求,因此需要舵机控制器具有扭矩大、频响高、体积小等的特点,这对舵机控制器的研制提出了很高的要求。本文针对所需电动舵机的特点采用永磁无刷直流电机进行控制器的设计和研发调试。本文对永磁无刷直流电机的控制方法和数学模型进行了介绍。为了选取合适的控制算法以实现对弹载舵机的快速、精确控制,在MATLAB的SIMULINK里建立了舵机控制系统的仿真模型。对于控制器部分首先设计了常规PI控制实现电机的三闭环控制,然后在此基础上又对电流环加以电流限幅环节和抗积分饱和设计；为了实现电机控制系统性能的进一步改善,即适应不同负载和输入信号等各种环境都能具有良好的响应性能,最后又设计了具有参数优化功能的模糊PI控制,并对各种控制器的仿真结果分别作了相应的分析与比较。针对舵机控制系统的特点,进行了相应硬件系统搭建。分别介绍了所用单片机STC12C5410AD的内部结构、晶振电路、串口通信模块、电源模块、舵机驱动模块以及复位电路等,并设计了舵机的通讯协议。为了验证所设计的电动舵机控制系统的方案和参数的可行性,进行了一系列电动舵机控制器试验测试,检测了电动舵机的性能,改进了控制系统参数,使电动舵机系统达到了较高的性能指标,为制导炮弹电动舵机的研制提供了适用的控制器。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-12
  1.1 课题背景及意义  7-8
  1.2 制导炮弹电动舵机的现状和发展趋势  8-11
    1.2.1 舵机技术最新研究进展  8-10
    1.2.2 国内外电动舵机发展概述  10-11
  1.3 本文的内容安排  11-12
2 电动舵机控制系统设计  12-33
  2.1 无刷直流电机的控制方法  12-14
  2.2 永磁无刷直流电机的数学模型  14-15
  2.3 Simulink仿真  15-22
    2.3.1 无刷直流电机模块  17-18
    2.3.2 三相逆变桥模块  18
    2.3.3 逻辑换向模块  18-20
    2.3.4 控制模块  20-22
  2.4 电流环限流与抗积分饱和控制  22-24
  2.5 模糊控制  24-27
    2.5.1 模糊控制器的语言变量  25-27
    2.5.2 模糊控制系统特点  27
  2.6 模糊PI控制  27-29
  2.7 模糊PI控制器的参数优化  29-32
  2.8 本章小结  32-33
3 系统硬件电路设计  33-41
  3.1 STC12C5410AD单片机内部结构  33-34
  3.2 晶振电路  34-35
  3.3 串口通信模块  35-36
  3.4 电源模块  36-37
  3.5 舵机驱动模块  37-38
  3.6 复位电路  38-39
  3.7 舵机通讯协议的设计  39-40
  3.8 本章小结  40-41
4 电动舵机控制系统试验测试  41-57
  4.1 舵机系统冲击过载试验  41-42
  4.2 舵机系统稳定性测试  42-44
    4.2.1 测试设备  42
    4.2.2 舵机调试软件  42-43
    4.2.3 舵机测试  43-44
  4.3 舵机舵偏角反馈传感器线性度测试  44-45
  4.4 舵机带宽测试  45-48
  4.5 舵机电源电压变化对舵机的影响测试  48-50
  4.6 舵机控制系统控制特性测试  50-52
  4.7 舵机额定工作频率5Hz±15偏角时超调量测试  52-55
  4.8 结论  55-56
  4.9 本章小结  56-57
5 总结与展望  57-58
  5.1 总结  57
  5.2 展望  57-58
致谢  58-59
参考文献  59-61

弹载电动舵机控制系统研究

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