一种数字化舵机控制系统的设计

摘要

本文主要是针对主要基于DSP的数字舵机控制系统进行阐述。所谓舵机就是飞机在飞行控制系统中的一种执行机构，飞机在空中的飞行轨迹都是靠舵机带动舵面来实现的，其性能的好坏直接影响飞机的性能。通常情况下舵机主要由无刷直流电机、控制器、舵机机械结构、传感器四部分组成，其中控制器是舵机的核心组成部分。
　　文章以某型飞机的舵机控制为背景，通过实际现场对新型全数字电动舵机控制系统的设计需求，结合某型飞机的特点以及对舵机的高性能要求，设计出了一套基于DSP的数字舵机控制系统。通过对系统的分析，了解了其结构组成、控制方案、控制器软硬件设计等问题。因此本文将从以下几个部分开始对数字舵机控制系统进行研究和设计。
　　首先，通过对现状的分析，提出要设计一种数字化程度高的舵机控制系统来满足飞机的精准控制;同时，通过对系统的分析，找出系统所用的一些指标，并根据指标进行系统的总体设计。
　　其次，根据现有舵机的基本组成部分，开始对舵机控制系统的硬件进行设计。舵机控制采用2位定点DSP（数字信号处理器芯片）TMS320F2812，搭配Alter公司生产的EPM系列CPLD做为控制核心[3]。通过对硬件中长时间受力的部件进行ANSYS的强度分析，判断其是否满足现场的强度要求。还根据各个硬件功能模块对电源的不同需求设计相应的电源处理电路。
　　同时在进行了硬件设计后，通过对舵机系统的进行控制的总体要求分析，设计出一种满足系统要求的上位机软件。飞机驾驶者可以利用上位机软件控制舵机动作，从而控制飞机的飞行。舵机控制系统的软件包含BIT软件和应用软件两部分内容。BIT软件在后台运行，对伺服回路进行监控，并将检测到的回路状态及故障信息上报上位机。应用软件由系统管理、控制律计算、任务管理、伺服回路自监控等功能模块组成[4]。应用软件根据采集的伺服回路状态信号、上位机指令、监控结果进行逻辑和伺服回路控制律计算，将计算出的控制指令发送给功率驱动模块控制电机转动完成对伺服回路的闭环控制。
　　最后，在进行软硬件设计的同时，建立伺服回路数学模型进行仿真可以对系统的控制律进行设计，并通过仿真中对参数进行调整可以预设伺服回路系统的控制律参数。由于数学模型与工程实践不可避免的存在一些差异，在实际应用过程中，通过舵机伺服回路系统联试试验再调整控制律参数，以满足舵机系统的性能要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 系统的研究背景和研究目的

1．2 系统的组成和现状

1．3 舵机控制系统的功能要求

1．4 系统的主要研究内容

2 系统的设计流程及舵机控制系统的总体构架

2．1 系统的设计流程

2．1．1 系统的总体方案

2．1．2 硬件设计方案

2．1．3 系统的软件设计

2．1．4 系统的参数调整和实现

2．2 飞机舵机系统的基本原理

3 舵机控制系统的硬件设计

3．1 系统的主控部分硬件设计

3．1．1 DSP芯片的选用

3．2 驱动部分的硬件设计

3．3 电动舵机设计

3．3．1 电动舵机组成

3．3．2 舵机传动系统设计

3．3．3 驱动电机设计

3．3．4 制动器设计

3．3．5 滚珠丝杠副的设计

3．3．6 位置反馈传感器

3．3．7 摩擦离合器

3．3．8 机械传动耐久设计

3．4 舵机系统的强度分析

3．4．1 导向管强度分析

3．4．2 齿轮板强度分析

3．4．3 壳体强度分析

3．4．4 齿齿轮强度分析

3．4．5 61齿齿轮强度分析

3．4．6 21齿齿轮强度分析

4、软件设计

4．1 应用软件的功能

4．2 地面支持软件的功能

4．3 软件工作流程

4．4 软件的配置管理

5 平伺服系统仿真分析

5．1 数学模型的建立

5．1．1 电机模型的建立

5．1．2 减速器的数学模型

5．2 系统的仿真前的各项设定

5．2．1 电流环的设定

5．2．2 速度环的设定

5．2．3 电机减速比及电动舵机导程的设定

5．2．4 位置环的设定

5．3 配平舵回路模型初步分析

5．3．1 配平舵回路模型位置闭环初步分析

5．2．2 配平舵回路模型位置开环初步分析

5．3 配平舵回路仿真初步分析结论

致谢

参考文献