高可靠電動舵機控制器的研究與設計
發(fā)布時間：2021-08-13 16:06
舵機作為伺服控制系統(tǒng)的重要部件,其性能的優(yōu)劣直接影響伺服系統(tǒng)的整體性能。電動舵機以其結構簡單、可靠性高、體積小等特點成為目前研究的熱點。隨著電力電子技術和永磁電機的發(fā)展,高功率密度、體積小巧、結構簡單、控制靈活的新型的永磁無刷直流電機在火箭、飛機、導彈等飛行器領域得到了廣泛應用,同時對飛行器控制系統(tǒng)的高可靠、高靈敏度、高精度等性能要求越來越高。本文以高性能的數(shù)字信號處理器為控制單元,采用現(xiàn)代智能控制技術來設計一套高性能、高可靠的電動舵機控制器。并以永磁無刷直流電機為控制對象,簡要介紹了電動舵機的結構,重點分析無刷直流電機是如何工作的,并推導分析了被控對象的數(shù)學模型,設計了一套體積小、可靠性高的硬件電路�？紤]到工程應用的急迫性和成熟性的需要,采用了典型的電流環(huán)-速度環(huán)-位置環(huán)的三閉環(huán)控制策略。而位置環(huán)作為控制系統(tǒng)中最關鍵的部分,采用了精度高、體積小的電渦流式角位移傳感器作為反饋裝置,以提高系統(tǒng)的可靠性和控制精度�？刂破餍阅苡梢呀⒌臏y試平臺驗證。結果證明,控制器達到了設計標準,可靠性高,擁有一定的工程參考價值。論文主要內(nèi)容如下:1.給出了控制器的設計標準。介紹了控制對象的組成和原理,并建...
【文章來源】：上海應用技術大學上海市
【文章頁數(shù)】：61 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
電流保護邏輯框圖
第 40 頁 上海應用技術大學 碩士學位論文將示波器的總線分析功能開啟，并設置為 UART 解碼模式。圖 5.2 為串口通訊的測試結果圖。從圖中可以讀出控制器的接受指令周期為 5ms，發(fā)送指令周期為 10ms。圖中 2通道為串口接收波形，共 8 個字節(jié)，字節(jié) 55H、AAH 為幀頭，字節(jié) 04H 為有效數(shù)據(jù)長度，字節(jié) 12H 代表模塊當前的工作狀態(tài)，字節(jié) 00H、00H 表示當前輸入量，第七個字節(jié)00H 為備用位，最后一個字節(jié)為校驗和。圖中 4 通道為串口通信發(fā)送波形，共 11 個字節(jié)，幀頭為 55H、AAH，數(shù)據(jù)長度為 07H，CCH 為當前工作狀態(tài)，五、六字節(jié)表示舵機的位置信息，七、八字節(jié)為轉速信息九、十字節(jié)為采集的電流信息，第十一個字節(jié)為校驗和。從示波器的檢測結果分析可知串口通訊功能正常。
圖 5.4 電流保護信號測試波形Fig. 5.4 The test waveform of current protection設計合適的電流保護閾值對控制系統(tǒng)工作的可靠性至關重要。閾值設置的太大雖然能夠保證系統(tǒng)有著較大的過載能力，一旦故障發(fā)生，電路將長時間承受過載的電流，會造成硬件電路的出現(xiàn)不可恢復的故障甚至損壞電機；閾值設置的太小雖然能對硬件電路和電機起到保護作用，但卻因為保護的靈敏度過高造成過流保護故障的誤觸發(fā)，使控制器的可靠性得不到保證。從圖 5.4 可以看出電壓的保護閾值為 0.34V 到 2.78V。根據(jù)電流傳感器手冊可退出電流保護閾值為 5A。與軟件上設置的電流閾值相吻合。5.2.3 霍爾檢測及轉速解調(diào)邏輯測試為了驗證霍爾狀態(tài)信號是否正常，以示波器為測試工具，檢測電機中集成的三相霍爾信號輸出是否正常，同時還要檢測 CPLD 對三相霍爾信號進行邏輯處理后輸出的霍爾信號。圖 5.5 為實驗測試圖形。圖中的藍紅黃三個通道分別對應了電機的三相霍爾信號最后的一個綠色的通道是經(jīng)過 CPLD 處理后輸出的霍爾信號。從圖中的信息分析可知，綠色通道的霍爾信號的電平轉換時間為 620us，而系統(tǒng)的ECAP 的計數(shù)脈沖周期為 25us,電機的極對數(shù) P=3，代入轉速計算公式的到電機轉速為
【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種數(shù)字無刷電動舵機控制系統(tǒng)的設計[J]. 付克亞. 航空兵器. 2018(04)
[2]無刷直流電機模糊參數(shù)自適應PID控制[J]. 荊建立,王艷春,朱永慶. 控制工程. 2018(05)
[3]一種基于DSP的高速無刷直流電機伺服系統(tǒng)設計[J]. 王媛媛,段宇鵬,朱娜,蔣鴻翔. 航空精密制造技術. 2018(02)
[4]機電一體化靈巧舵機控制器設計[J]. 李紅燕,和陽,朱紀洪,和衛(wèi)星. 微特電機. 2016(12)
[5]中大功率航天電動伺服機構發(fā)展綜述[J]. 郭洪根,王指國. 導航定位與授時. 2016(03)
[6]機載導彈一控四電動舵機控制器研究與設計[J]. 張馳. 電子設計工程. 2015(20)
[7]一種減小無刷直流電機換相轉矩脈動的調(diào)制方法[J]. 王大方,卜德明,朱成,周傳煒,楊博文. 電工技術學報. 2014(05)
[8]一控四電動舵機控制器設計[J]. 李志,齊蓉,戴志勇. 微電機. 2013(04)
[9]基于DSP+CPLD的無刷直流電機三環(huán)控制設計[J]. 張愛軍,程時兵,朱軍偉,龐麗娟. 電力電子技術. 2012(11)
[10]基于滑模觀測器與分數(shù)階鎖相環(huán)的無傳感器PMSM矢量控制（英文）[J]. 黃家才,李宏勝,徐慶宏. 中國科學技術大學學報. 2012(08)
碩士論文
[1]組合式舵機控制器的研究與設計[D]. 宋晗.江蘇大學 2017
[2]基于多核DSP的導控一體化彈載計算機設計[D]. 孔得鵬.北京理工大學 2016
[3]電渦流式角位移傳感器及二次儀表的優(yōu)化設計與分析[D]. 陳石煤.哈爾濱工業(yè)大學 2015
[4]飛行器永磁同步電動舵機控制系統(tǒng)研究與設計[D]. 荀倩.南京航空航天大學 2015
[5]基于TMS320F28069的伺服控制系統(tǒng)研究[D]. 高寬.浙江大學 2015
[6]飛行器電動舵機設計與研究[D]. 蘇翀.上海交通大學 2013
[7]基于TMS320F28035的永磁同步電機伺服驅(qū)動器硬件設計[D]. 蔣書斌.西安電子科技大學 2013
[8]飛行器電動舵機系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]. 陸紅.哈爾濱工程大學 2012
[9]基于DSP的小型電動舵機伺服控制系統(tǒng)研究[D]. 張元.南京理工大學 2012
[10]彈用舵機控制技術研究[D]. 王一誠.國防科學技術大學 2009
本文編號：3340732
【文章來源】：上海應用技術大學上海市
【文章頁數(shù)】：61 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
電流保護邏輯框圖
第 40 頁 上海應用技術大學 碩士學位論文將示波器的總線分析功能開啟，并設置為 UART 解碼模式。圖 5.2 為串口通訊的測試結果圖。從圖中可以讀出控制器的接受指令周期為 5ms，發(fā)送指令周期為 10ms。圖中 2通道為串口接收波形，共 8 個字節(jié)，字節(jié) 55H、AAH 為幀頭，字節(jié) 04H 為有效數(shù)據(jù)長度，字節(jié) 12H 代表模塊當前的工作狀態(tài)，字節(jié) 00H、00H 表示當前輸入量，第七個字節(jié)00H 為備用位，最后一個字節(jié)為校驗和。圖中 4 通道為串口通信發(fā)送波形，共 11 個字節(jié)，幀頭為 55H、AAH，數(shù)據(jù)長度為 07H，CCH 為當前工作狀態(tài)，五、六字節(jié)表示舵機的位置信息，七、八字節(jié)為轉速信息九、十字節(jié)為采集的電流信息，第十一個字節(jié)為校驗和。從示波器的檢測結果分析可知串口通訊功能正常。
圖 5.4 電流保護信號測試波形Fig. 5.4 The test waveform of current protection設計合適的電流保護閾值對控制系統(tǒng)工作的可靠性至關重要。閾值設置的太大雖然能夠保證系統(tǒng)有著較大的過載能力，一旦故障發(fā)生，電路將長時間承受過載的電流，會造成硬件電路的出現(xiàn)不可恢復的故障甚至損壞電機；閾值設置的太小雖然能對硬件電路和電機起到保護作用，但卻因為保護的靈敏度過高造成過流保護故障的誤觸發(fā)，使控制器的可靠性得不到保證。從圖 5.4 可以看出電壓的保護閾值為 0.34V 到 2.78V。根據(jù)電流傳感器手冊可退出電流保護閾值為 5A。與軟件上設置的電流閾值相吻合。5.2.3 霍爾檢測及轉速解調(diào)邏輯測試為了驗證霍爾狀態(tài)信號是否正常，以示波器為測試工具，檢測電機中集成的三相霍爾信號輸出是否正常，同時還要檢測 CPLD 對三相霍爾信號進行邏輯處理后輸出的霍爾信號。圖 5.5 為實驗測試圖形。圖中的藍紅黃三個通道分別對應了電機的三相霍爾信號最后的一個綠色的通道是經(jīng)過 CPLD 處理后輸出的霍爾信號。從圖中的信息分析可知，綠色通道的霍爾信號的電平轉換時間為 620us，而系統(tǒng)的ECAP 的計數(shù)脈沖周期為 25us,電機的極對數(shù) P=3，代入轉速計算公式的到電機轉速為
【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種數(shù)字無刷電動舵機控制系統(tǒng)的設計[J]. 付克亞. 航空兵器. 2018(04)
[2]無刷直流電機模糊參數(shù)自適應PID控制[J]. 荊建立,王艷春,朱永慶. 控制工程. 2018(05)
[3]一種基于DSP的高速無刷直流電機伺服系統(tǒng)設計[J]. 王媛媛,段宇鵬,朱娜,蔣鴻翔. 航空精密制造技術. 2018(02)
[4]機電一體化靈巧舵機控制器設計[J]. 李紅燕,和陽,朱紀洪,和衛(wèi)星. 微特電機. 2016(12)
[5]中大功率航天電動伺服機構發(fā)展綜述[J]. 郭洪根,王指國. 導航定位與授時. 2016(03)
[6]機載導彈一控四電動舵機控制器研究與設計[J]. 張馳. 電子設計工程. 2015(20)
[7]一種減小無刷直流電機換相轉矩脈動的調(diào)制方法[J]. 王大方,卜德明,朱成,周傳煒,楊博文. 電工技術學報. 2014(05)
[8]一控四電動舵機控制器設計[J]. 李志,齊蓉,戴志勇. 微電機. 2013(04)
[9]基于DSP+CPLD的無刷直流電機三環(huán)控制設計[J]. 張愛軍,程時兵,朱軍偉,龐麗娟. 電力電子技術. 2012(11)
[10]基于滑模觀測器與分數(shù)階鎖相環(huán)的無傳感器PMSM矢量控制（英文）[J]. 黃家才,李宏勝,徐慶宏. 中國科學技術大學學報. 2012(08)
碩士論文
[1]組合式舵機控制器的研究與設計[D]. 宋晗.江蘇大學 2017
[2]基于多核DSP的導控一體化彈載計算機設計[D]. 孔得鵬.北京理工大學 2016
[3]電渦流式角位移傳感器及二次儀表的優(yōu)化設計與分析[D]. 陳石煤.哈爾濱工業(yè)大學 2015
[4]飛行器永磁同步電動舵機控制系統(tǒng)研究與設計[D]. 荀倩.南京航空航天大學 2015
[5]基于TMS320F28069的伺服控制系統(tǒng)研究[D]. 高寬.浙江大學 2015
[6]飛行器電動舵機設計與研究[D]. 蘇翀.上海交通大學 2013
[7]基于TMS320F28035的永磁同步電機伺服驅(qū)動器硬件設計[D]. 蔣書斌.西安電子科技大學 2013
[8]飛行器電動舵機系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]. 陸紅.哈爾濱工程大學 2012
[9]基于DSP的小型電動舵機伺服控制系統(tǒng)研究[D]. 張元.南京理工大學 2012
[10]彈用舵機控制技術研究[D]. 王一誠.國防科學技術大學 2009
本文編號：3340732
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