基于DSP的电动舵机控制系统的设计

摘要

电动舵机系统作为飞行器的执行机构，是飞行器控制系统的重要组成部分之一，是一种高精度的位置伺服系统。本课题的研究目的是设计一个动态性能好、鲁棒性强的电动舵机控制系统。
　　本文总体分析了电动舵机系统和无刷直流电机的结构以及电机运行的一些关键问题（如驱动方式以及换向逻辑等），构建了电动舵机的数学模型，进行了系统硬件和控制策略的总体方案设计。为了得到更宽的调速范围和更好的调速性能，采用双极性PWM驱动方式，并在此驱动方式的基础上设计了换向逻辑，通过改变输出PWM的占空比即可实现电机的转速和转向控制。
　　硬件系统方面，本文以主控制器DSP和协处理器CPLD为核心搭建了硬件电路，主要包括EMI电源滤波器、控制器、功率驱动电路、信号采集电路以及保护电路等。设计的EMI电源滤波器能同时滤除共模干扰和差模干扰，且该滤波器的滤波作用是双向的，既能防止主电源本身的波动干扰电机的正常运行，又能防止功率器件高频开关造成的电压波动对主电源和硬件系统产生影响。考虑到CPLD在逻辑处理方面的优势以及电机运行对逻辑处理的需求，采用CPLD作为协处理器，减少了DSP外部器件，使设计更为灵活。
　　在控制策略方面，针对传统PID控制抗负载扰动能力差、动态性能不佳以及普通滑模变结构控制抑制抖振能力弱等问题，本文设计了基于趋近律和准滑动模态的滑模变结构控制方法。趋近律方法不仅能提高滑模控制的动态品质，还能通过选取合适的参数提高系统的抗负载干扰的能力。针对趋近律参数选择加剧抖振的问题，引入准滑动模态方法，利用饱和函数进行控制律设计，从而实现抑制抖振的目的。分别对基于PI控制和滑模变结构控制的电动舵机系统进行建模仿真，仿真结果表明，基于滑模变结构控制的电动舵机系统具有更好的动态性能和更强的抗负载变化能力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 电动舵机系统的研究现状与趋势

1．2．1 无刷直流电机的研究现状与趋势

1．2．2 控制器的研究现状与趋势

1．2．3 控制策略的研究现状与趋势

1．3 本课题的主要研究工作

第二章 电动舵机基本原理与控制系统总体方案设计

2．1 电动舵机的结构与基本工作原理

2．2 无刷直流电机概述

2．2．1 无刷直流电机的结构

2．2．2 三相全桥逆变电路与绕组导通方式

2．2．3 PWM驱动方式

2．2．4 无刷直流电机换向逻辑

2．3 电动舵机数学模型

2．4 硬件总体方案设计

2．5 控制策略总体方案设计

2．6 本章小结

第三章 硬件电路设计

3．1 电源电路设计

3．1．1 主电源EMI滤波器设计

3．1．2 24V转5V电源电路设计

3．1．3 5V转3．3V电源电路设计

3．2 微控制器选择

3．3 功率驱动电路设计

3．4 电流检测和电流保护电路设计

3．4．1 电流检测电路

3．4．2 电流保护电路

3．5 位置检测电路设计

3．6 本章小结

第四章 控制方法设计

4．1 滑模变结构控制的基本原理

4．2 滑模变结构控制的几个要素

4．2．1 滑动模态的存在性

4．2．2 滑动模态的可达性

4．2．3 滑模运动的稳定性

4．2．4 滑模运动的动态品质

4．3 典型的趋近律

4．4 滑模变结构控制的抖振抑制

4．4．1 滑模变结构控制的抖振问题

4．4．2 滑模变结构控制的抖振抑制

4．5 滑模控制器的设计

4．5．1 切换函数的设计

4．5．2 控制律设计

4．5．3 抖振处理

4．6 本章小结

第五章 仿真实验结果分析

5．1 滑模变结构控制仿真建模

5．2 仿真实验结果分析

5．2．1 空载阶跃响应仿真结果

5．2．2 带载阶跃响应仿真结果

5．2．3 阶跃负载仿真结果

5．2．4 正弦信号跟踪仿真结果

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果