超声波电机舵机控制技术研究

摘要

舵机是制导武器导航控制执行机构，其性能的优劣会影响武器制导精度。在飞行控制过程中，舵机控制频率快，位置响应需要满足响应快、超调量小、精度高的需要。这要求舵机伺服电机具有实时调速功能，能进行频繁的启动、制动。电动舵机普遍采用电磁式伺服电机，因为工作原理制约，这类电机无法克服其固缺陷：启动慢、制动更慢；高频控制内部电流波动大；需通过减速器匹配转速。对比之下，超声波电机很好的克服了以上问题，电机定子通过逆压电效应将电能转化机械能，使具有启动响应快、断电自锁、低速力矩大等优点，适合作为电动舵机伺服电机。超声波电机的运行机理复杂，使电机动态特性表现出高非线性和时变性，所以对该电机的驱动及控制技术的研究一直是这一领域的热点。 本文从实现舵机位置精确控制角度出发，研究行波超声波电机舵机系统控制技术。根据薄板振动理论分析电机定子行波产生条件，通过简化定、转子接触面条件，建立用于仿真分析的电机简化接触模型，进行模型计算机仿真，分析了电机对电压幅值、驱动频率的响应特性。通过SIMULIK电学工具箱搭建H桥驱动电路，由等效电路代替电机模型，分析驱动电路响应特性，将其简化为一阶时滞惯性系统，用于舵机控制系统仿真。由动态递归神经网络建立电机模型，应用伪随机序列激励电机获取辨识数据，通过泛化评价因子选择差分进化优化的模型拓扑结构和权值，经过仿真校验，最优网络模型辨识精度达0.0747，预测精度达0.0782。建立动态递归神经网络自适应转速控制器，通过SIMULIK建立舵机速度控制系统模型。仿真结果表明舵机转速控制器速度响应时间小于0.02s，稳定时间小于0.08s，无静差，无超调，系统鲁棒性较好。建立外环PID位置控制器，仿真实验表明，舵机位置控制响应时间小于0.05s，稳定时间小于0.2s，无超调无静差。

目录

声明

1 绪 论

1.1课题背景和意义

1.2超声波电机工作机理和分类

1.3超声波电机舵机系统的发展

1.4本文研究主要内容

2 行波超声波电机运作机理分析

2.1行波型超声波电机结构组成

2.2行波型超声波电机运作机理

2.3超声波电机压电体的机电耦合模型

2.4 行波超声波电机定子的机电耦合模型

2.5 本章小结

3 超声波电机接触模型及仿真分析

3.1 定、转子接触假设

3.2 行波超声波电机转子刚体运动模型

3.3 简化接触数学模型

3.4 行波超声波电机系统仿真模型建立

3.5 仿真结果及分析

3.6 本章小结

4 超声波电机舵机驱动控制技术研究

4.1 行波超声波电机转速控制方法

4.2 行波超声波电机驱动电路

4.3 超声波电机等效电路模型和电学匹配

4.4 超声波电机驱动电路仿真与分析

4.5 本章小结

5超声波电机舵机神经网络控制策略研究

5.1 神经网络控制基本理论

5.2 动态递归神经网络系统建模

5.3 超声波电机舵机转速控制策略

5.4 差分进化算法优化神经网络

5.5 电机电压—转速神经网络辨识建模与优化

5.6 超声波电机舵机控制系统仿真

5.7 本章小结

6 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢