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基于DSP的舵机电动加载系统研究

作　者: 刘健行
导　师: 强盛
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 多余力矩直流力矩电机模糊自适应PID
分类号: V216.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

电动负载模拟器是一种采用电动机作为执行元件的舵机加载装置,用来在实验室条件下模拟飞行器飞行过程中舵面所受力的情况,是一种地面半实物仿真设备。随着导弹事业的发展,对飞行器舵机的精度和动态性能的要求提高,对加载系统的精度和动态响应也相应地提出了更高的要求。本文针对这一要求,对舵机电动加载平台进行了详细研究。本文主要完成了以下工作:1)首先设计了以直流力矩电机作为加载执行元件的电动加载系统总体方案,建立了系统各部分详细的数学模型。在此基础上,分析了舵机运动和多余力矩的关系以及影响多余力矩的主要因素。结合电动加载系统的运行特点,采用了适合本系统要求的控制方法(模糊自适应PID)来降低系统的多余力矩,并通过与经典PID控制算法的比较,验证模糊控制方法的有效性。2)本文给出了详细的系统硬件电路。围绕TMS320F2812 DSP控制芯片展开,设计了外围各个部分的电路,并对关键部分给出了详细的分析说明。主要包括控制器的控制电路、光电隔离电路、AD转换电路、DA转换电路及位置检测电路等。3)针对DSP硬件系统中核心处理器的开发软件要求,采用C语言编写了下位机程序。主要介绍了软件系统的组成和软件的设计原则、DSP软件的开发原理、结合本系统给出了具体的设计,并给出了主要的算法设计。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 课题背景、研究的目的和意义  9
  1.2 负载模拟器的应用  9-10
  1.3 国内外加载系统的研究现状及趋势  10-13
    1.3.1 电动负载模拟器的特点  11
    1.3.2 国内外的研究现状  11-13
    1.3.3 电动加载相关技术的发展状况  13
  1.4 课题研究的主要内容  13-15
第2章系统总体方案的设计和数学模型的建立  15-23
  2.1 电动加载平台的整体结构  15-16
  2.2 电动加载系统的工作原理  16-18
  2.3 电动加载系统的数学模型  18-22
    2.3.1 加载的电机选择  19
    2.3.2 电动加载系统数学模型  19-22
  2.4 本章小结  22-23
第3章电动负载模拟器系统硬件及软件设计  23-45
  3.1 系统的硬件结构  23
  3.2 DSP为核心的控制电路设计  23-29
    3.2.1 扩展外部存储器  24
    3.2.2 时钟电路  24-26
    3.2.3 电源系统设计  26-27
    3.2.4 JTAG接口配置  27-28
    3.2.5 PWM波形发生机构及隔离电路  28-29
  3.3 DSP外围信号采集与控制信号输出电路  29-34
    3.3.1 力矩信号采集电路  29-30
    3.3.2 基于AD7656 的信号采集电路  30-31
    3.3.3 控制信号输出电路  31-33
    3.3.4 开关量输出电路  33
    3.3.5 与上位机通信电路  33-34
  3.4 电动加载系统软件设计  34-41
    3.4.1 下位机软件集成开发环境及思想  34-35
    3.4.2 DSP控制器的初始化  35-37
    3.4.3 控制器内部AD采集部分  37-38
    3.4.4 AD7656 采样程序设计  38-39
    3.4.5 AD7836 程序设计  39-41
    3.4.6 中断程序的实现  41
  3.5 部分硬件模块的程序测试  41-44
    3.5.1 外部AD7836 的程序测试  41-42
    3.5.2 外部AD7656 的程序测试  42-43
    3.5.3 SCI串口测试  43-44
  3.6 本章小结  44-45
第4章电动舵机系统控制器设计与仿真  45-56
  4.1 加载的各个过程中多余力的产生机理  45-46
  4.2 多余力矩分析  46-49
    4.2.1 负载刚度对多余力矩的影响  47-48
    4.2.2 惯性负载对多余力矩的影响  48
    4.2.3 多余力矩特性总结  48-49
  4.3 多余力矩的抑制  49-52
    4.3.1 校正环节的设计  50
    4.3.2 仿真结果及分析  50-52
  4.4 PID经典控制器的设计  52-54
    4.4.1 PID控制器原理  52-53
    4.4.2 数字PID算法  53-54
  4.5 PID仿真结果分析  54-55
    4.5.1 方波加载仿真结果  54-55
  4.6 本章小结  55-56
第5章模糊自适应PID算法研究  56-71
  5.1 常规PID控制器存在的问题  56
  5.2 模糊控制的基本理论  56-59
    5.2.1 模糊控制器的组成  57-59
  5.3 模糊自适应PID控制策略及参数整定原则  59-62
    5.3.1 自调整模糊控制策略的提出  59-60
    5.3.2 模糊自适应PID结构与工作原理  60-61
    5.3.3 参数自整定原则  61-62
  5.4 模糊自适应PID控制器的设计  62-64
    5.4.1 模糊控制器的算法设计  62-64
    5.4.2 模糊自整定PID控制器程序流程图  64
  5.5 仿真结果分析  64-69
    5.5.1 多余力矩抑制能力  64-65
    5.5.2 转矩动态跟踪能力  65-68
    5.5.3 鲁棒性能仿真  68-69
  5.6 本章小结  69-71
结论  71-72
参考文献  72-75
攻读学位期间发表的学术论文  75-77
致谢  77-78
个人简历  78

基于DSP的舵机电动加载系统研究

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