面向全电动舵机闭环控制及高速通信系统的研究

摘要

电动舵机作为高精度伺服系统具有结构简单、体积小等优点，其在航空航天的发展越来越迅速。本课题采用交流永磁同步伺服电机作为舵机的驱动单元相比于无刷直流电机作为驱动单元，其具有转矩脉动小、调速范围宽、指令响应快、运行效率更高、定位精度高。电动舵机交流伺服系统成为电动舵机发展的趋势。采用EtherCAT以太网技术实现多电动舵机交流伺服系统之间的实时高速通信，可以完成以主站为指令的通信系统。
　　本文对电动舵机交流伺服系统进行了分析，用JMAG仿真分析并加工出满足电动舵机转速以及转矩要求的交流永磁同步电机，设计以高性能 MCU为控制核心的控制系统，采用体积小精度高磁电编码器作为电机末端位置反馈。采用了以EtherCAT以太网通信，使用ESC从站设备完成了主站与从站电动舵机交流伺服系统、多舵机交流伺服系统之间的高速实时通信。
　　分析交流永磁同步电机的数学模型。设计交流永磁同步电机的电流环、速度环、位置环的闭环控制传递函数。在电动舵机交流伺服系统的控制策略上，采用前馈控制策略来使其具有指令高响应特性和指令跟随特性，采用二自由度控制策略使其具有抗干扰特性。
　　最后搭建系统实验平台，对EtherCAT通信系统进行调试，对交流永磁同步电机的速度环、电流环控制参数进行调试，使其满足电流响应、转速要求。采用了常用的高速定位实验对交流伺服系统的前馈、二自由度等控制参数进行调试，使电动舵机具有较好高速位置响应特性，同时对电动舵机交流伺服系统进行了正弦指令跟随系统实验。分析实验结果，采用交流伺服系统的电动舵机具有良好响应特性和指令跟随特性。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外舵机系统的研究现状

1.3 本文主要的研究内容

第二章 电动舵机系统分析与设计

2.1 引言

2.2 电动舵机系统组成及工作原理

2.3 交流永磁同步电机的设计

2.4 控制系统硬件设计

2.5 本章小结

第三章 电动舵机通信系统的设计

3.1 引言

3.2 通信系统的分析及总体结构设计

3.3 电动舵机从站通信系统的设计

3.4 基于EtherCAT通信主站程序的设计

3.5 本章小结

第四章 电动舵机系统控制策略

4.1 引言

4.2 交流永磁同步电机伺服系统的控制策略

4.3 电动舵控制策略

4.4本章小结

第五章 电动舵机系统的调试实验

5.1 引言

5.2 EtherCAT通信实验

5.3 控制实验系统平台搭建

5.4 交流永磁同步电机调试实验

5.5 电动舵机的调试

5.6 电动舵机指令跟随实验

5.7 本章总结

结论

参考文献

声明

致谢