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高速无人机电动舵机控制器的设计与实现

作　者: 周小庆
导　师: 李平
学　校: 浙江大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 小型无人机电动舵机直流无刷电机数字信号处理器模糊控制前馈控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 607次
引　用: 8次
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内容摘要

小型无人机(MUAV),因其在军事、救援、航拍及遥感等诸多军民领域巨大的潜在应用价值,已兴起为一个热门的研究领域。舵机作为小型无人机的重要组件,既是执行机构,又是无人机飞行控制回路的重要组成部分,其性能的好坏直接影响着飞行控制系统的性能和飞行安全。在对舵机的调速性能、控制精度、输出力矩、体积具有特殊要求的航空航天领域,基于无刷直流电机(BLDCM)的电动舵机成为了未来小型无人机舵机发展的方向,它具有使用寿命长、体积小、质量轻、转速高、可靠性高、出力大、余度控制方便等众多优点,目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化等方向发展。而目前国内现有的电动舵机由于没有采用高性能的直流无刷电机作为伺服电机,使得电动舵机的输出力矩和转速达不到要求;并且在实际的电动舵机控制器实施方面,目前主要停留在PID手动调参方法,并且没有考虑到实际应用对象的动态特性,即设计控制器时没有考虑到电动舵机负载转矩的变化。因此研究基于直流无刷电机的电动舵机的动态建模与控制问题具有重要的理论意义和应用价值。本论文在借鉴前人工作的基础上,首先引入了新型的大功率、高扭矩、体积小的无刷直流电机,解决了无人机对舵机力矩、速度和体积的要求;在提高舵机控制器的性能方面,提出了带前馈的模糊自整定的PID串级控制算法,基本解决了舵机在负载力矩大范围变化时,舵机控制器的稳定性和控制性能严重下降的问题;另外,构建了基于DSP的数字化舵机系统原理样机,解决了该型无人机舵机的选型问题,具有重大的工程意义。本文的主要工作和贡献如下:本课题的主要工作有:根据某型无人机对舵机的性能要求,对各部分进行选型,并推导出各部分的传递函数,从而得到舵机系统的数学模型,并在Matlab的Simulink环境下得到舵机系统的动态仿真模型;设计了传统的和带前馈的模糊自整定的PID串级控制器,并进行了空载和带负载情况下的系统仿真,并对两种控制器的性能进行了对比和分析;设计了基于DSP的原理样机的各部分硬件电路以及在CCS2000环境下开发了软件系统,并进行了系统调试;构建了基于虚拟仪器的测试平台,通过原理样机实验,分别测试舵机在两种控制器下的性能,从而比较分析这两种控制器的性能好坏,从而验证系统设计的正确性和可行性。本课题的创新性在于它的工程应用意义和价值。一方面,将数字信号处理器和基于前馈的模糊自整定PID的控制算法应用到无人机舵机系统中。DSP的应用,使舵机系统便于实现数字化,为舵机采用新的、先进的控制算法(如模糊控制等),全面提高性能创造了条件;此外,通过分析舵面的受力,得到较精确的铰链力矩模型,然后利用前馈控制器补偿负载变化对速度环的影响,从而解决了力矩大范围变化时舵机系统的稳定性以及控制性能降低的问题。另一方面,引入了新型的高转速、转矩密度大的无刷直流电机,并设计、构建了基于DSP的数字化舵机的原理样机。最后,构建了基于虚拟仪器的测试平台,大大提高了测试的效率和与用户的交互性。通过仿真设计、硬件制作、软件编程、试验分析,为研制型号舵机进行了必要的预先探索。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-12
第一章绪论  12-22
  1.1 研究背景  12-15
    1.1.1 课题背景  12-13
    1.1.2 舵机的国内外研究现状  13-15
    1.1.3 总结  15
  1.2 电动舵机的控制算法  15-18
    1.2.1 经典的PID控制  16
    1.2.2 智能控制技术  16-17
    1.2.3 鲁棒控制技术  17
    1.2.4 非线性控制技术  17-18
  1.3 本文研究工作  18-22
    1.3.1 工作的出发点  18-20
    1.3.2 本文的主要贡献  20
    1.3.3 本文章节安排  20-22
第二章电动舵机系统的结构与动态建模  22-32
  2.1 电动舵机系统的结构  22
  2.2 电动舵机系统各部分选型及其数学模型  22-30
    2.2.1 伺服电机及其数学模型  22-26
    2.2.2 减速传动机构及其数学模型  26-28
    2.2.3 PWM控制器及其数学模型  28-29
    2.2.4 反馈装置及其数学模型  29-30
  2.3 电动舵机的Simulink动态仿真模型  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第三章电动舵机系统的前馈模糊控制器的设计与仿真  32-50
  3.1 引言  32
  3.2 高速无人机对舵机控制性能要求  32-33
  3.3 控制结构设计  33-34
  3.4 串级PID控制器设计与舵机系统仿真  34-40
    3.4.1 电流环设计  34-36
    3.4.2 速度环设计  36-37
    3.4.3 位置环设计  37-38
    3.4.4 串级PID控制器仿真  38-40
  3.5 负载特性及其对电动舵机性能的影响  40-43
    3.5.1 铰链力矩对舵机工作的影响  40-41
    3.5.2 铰链力矩的建模  41-43
  3.6 带前馈的模糊PID控制器设计与舵机系统仿真  43-48
    3.6.1 电流环控制器设计  43
    3.6.2 速度环的前馈控制器设计  43-45
    3.6.3 位置环控制器参数模糊自整定  45-48
  3.7 本章小结  48-50
第四章基于DSP的电动舵机系统的硬件及软件设计  50-68
  4.1 控制器的硬件组成  50
  4.2 硬件系统设计  50-58
    4.2.1 DSP最小硬件系统设计  50-52
    4.2.2 PWM驱动及隔离电路  52-53
    4.2.3 逆变桥电路  53-54
    4.2.4 信号检测电路  54-58
      4.2.4.1 电流信号检测电路  54-55
      4.2.4.2 转子位置检测电路设计  55-56
      4.2.4.3 电机转速及位置检测  56
      4.2.4.4 通讯接口电路  56-57
      4.2.4.5 总线驱动接口  57
      4.2.4.6 硬件电磁兼容性设计  57-58
  4.3 舵机软件系统设计  58-65
    4.3.1 集成开发环境CCS简介  59-60
    4.3.2 控制器程序设计  60-65
  4.4 舵机系统调试  65-66
  4.5 本章小结  66-68
第五章基于虚拟仪器测试系统的原理样机性能测试  68-76
  5.1 原理样机的测试方案  68-70
    5.1.1 基于Labview的上位机程序  68-70
    5.1.2 弹性负载的加载平台  70
  5.2 采用 PID校正控制器时的系统试验  70-72
    5.2.1 空载条件下的实验  70-71
    5.2.2 弹性负载条件下的实验  71-72
  5.3 采用模糊自整定 PID校正控制器时的系统试验  72-74
    5.3.1 空载条件下的实验  72-73
    5.3.2 弹性负载条件下的实验  73-74
  5.4 测试结果的对比与分析  74-75
  5.5 本章小结  75-76
第六章总结与展望  76-78
  6.1 论文总结  76
  6.2 研究展望  76-78
    6.2.1 硬件设计  77
    6.2.2 软件系统的实时性  77-78
参考文献  78-82
作者简介  82
在学期间所取得的科研成果  82

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