基于无刷直流电机的小型舵机驱动与自适应控制研究

摘要

舵机作为制导炮弹等飞行控制系统的执行机构，其性能直接影响着飞行控制系统的飞行品质。本文针对无刷直流电动舵机驱动控制系统，研究了小型电动舵机的PI控制及反演自适应滑模控制，设计了电动舵机硬件驱动及仿真电路，主要工作内容如下:
　　(1)建立了无刷直流电动舵机的各部分数学模型，包括无刷直流电机的三相绕组电压模型、电机转矩模型、电机运动方程模型、电磁转矩模型、传动减速器模型及PWM逆变器模型。
　　(2)采用临界比例度法结合凑试法设计了无刷直流电动舵机三闭环PI控制器，由内至外分别为电流环、速度环、位置环并对其进行仿真分析。在simulink仿真器中搭建了基于PI控制算法的舵回路仿真模型并进行仿真分析。仿真结果验证了舵机模型的正确性与合理性。
　　(3)采用反演自适应变结构滑模控制算法对电动机进行控制。利用反演后退的方法，将舵机系统分解为低阶子系统，分别设计出子系统的李雅普诺夫函数及中间虚拟量，根据系统需求，设计出的自适应律为(F)=-γσ，最后完成系统控制律的设计。仿真结果表明反演自适应变结构滑模控制算法具有超调量小，响应速度快，对外界扰动具有较好的鲁棒性。
　　(4)设计系统硬件，采用C8051 F410单片机及外围电路设计出控制板，基于IR2110芯片驱动由六个MOSFET功率管搭建的桥式电路，设计出驱动板。在硬件的基础上采用C语言对软件系统进行开发设计，最后利用Protues软件对驱动部分电路进行仿真。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 电动舵机国内外研究现状

1．2．1 无刷直流电机的介绍

1．2．2 国内外研究应用现状

1．2．3 无刷直流电机的控制方法介绍

1．3 本文的主要研究内容

2 无刷直流电动舵机系统的工作原理及数学模型

2．1 无刷直流电动舵机系统组成

2．2 无刷直流电机的工作原理

2．3 无刷直流电动舵机各部分数学模型

2．3．1 无刷直流电机的数学模型

2．3．2 无刷直流电动舵机传动系统数学模型

2．3．3 PWM逆变器及其传递函数

2．3．4 电位计及其数学模型

2．4 本章小结

3 无刷直流电动舵机PI控制及仿真

3．1 无刷直流电动舵机三环闭回路控制策略

3．2 PID控制原理

3．2．1 PID参数整定的方法

3．2．2 PID参数调整规则探索

3．3 无刷直流电动舵机的三环控制与仿真

3．3．1 电动舵机系统的PI控制器参数设计

3．3．2 电流调节器设计

3．3．3 转速调节器设计

3．3．4 位置环调节器设计

3．4 建立无刷直流电动舵回路仿真模型

3．4．1 电机本体模块

3．4．2 参考电流模块

3．4．3 电流滞环控制模块

3．4．4 电压逆变器模块

3．4．5 舵回路PI控制仿真结果及分析

3．5 本章小结

4 反演自适应滑模变结构的电动舵机控制系统设计

4．1 滑模变结构控制

4．2 滑模变结构控制方法设计基本原理

4．2．1 滑动模态定义及数学表达

4．2．2 滑模变结构控制的定义

4．2．3 切换面的设计

4．2．4 控制率的设计

4．2．5 抖振问题的处理方法

4．3 自适应滑模变结构控制方法简介

4．4 反演控制方法

4．4．1 反演控制方法的原理

4．4．2 反演控制的设计方法

4．4．3 反演控制方法的优缺点

4．4．4 电动舵机的反演自适应滑模控制系统设计

4．4．5 仿真分析

4．5 PI控制与反演自适应滑模变结构控制效果对比

4．6 本章小结

5 硬件设计

5．1 主控芯片选择

5．2 C8051F410单片机外围电路接口

5．2．1 RS232通信电路

5．2．2 模数转化接口电路

5．3 隔离与驱动电路设计

5．3．1 隔离驱动电路

5．3．2 桥式逆变电路

5．4 电流检测与过流保护电路

5．5 电源电路

5．6 硬件实物图

5．7 本章小结

6 软件系统设计

6．1 主程序设计

6．2 A／D采样模块设计

6．3 三闭环控制算法设计

6．3．1 电流环程序设计

6．3．2 速度环程序设计

6．3．3 位置环程序设计

6．4 BLDcM的proteus仿真

6．4．1 proteus软件介绍

6．4．2 仿真电路的搭建

6．4．3 硬件仿真的结果

6．5 舵机硬件实验测试

6．5．1 实验平台装置

6．5．2 控制器性能跟踪测试

6．6 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献