基于嵌入式的数字化导弹舵机伺服控制系统研究与开发

摘要

目前国产和进口俄制导弹的舵机伺服控制器多以模拟式控制为主。模拟式控制器虽然具有控制性能连续平滑的优点，但存在体积大、对温度的敏感性强、抗干扰能力弱等明显不足。本文对导弹舵机伺服控制系统作了较深入的研究，分析了导弹舵机伺服控制系统的国内外研究现状和未来的发展趋势。在深入理解电动舵机控制方式的基础上，结合数字控制技术与嵌入式操作系统技术，设计了一套基于嵌入式操作系统的数字式导弹舵机伺服系统。
　　 针对电动导弹舵机的工作特点，采用了一种位置环-速度环双环复合控制策略。速度环采用基于变速积分方式的增量式PI控制策略，并且为了更准确的计算出反馈速度的值，控制器采用了基于转速观测器方式的反馈速度估算方法。位置环采用变结构控制的方式，按照位置偏差值的大小分别对位置环进行全速控制、模糊控制、不完全微分PID控制。最终实现对舵面转角的快速精确定位。设计了控制器硬件，采用16位数字控制器dsPIC30F5011为主要控制芯片，设计并实现了位置信号调理电路、驱动电路、电源等。针对舵机伺服系统工作环境的电磁特性，进行了系统、全面的硬件抗干扰设计，保证了控制器工作的稳定性。设计了控制器软件，选择μC/OS-Ⅱ为实时操作系统，完成了对操作系统的移植和系统任务的划分、模糊控制算法和应用程序的编码和调试，并对软件系统进行了抗干扰设计。
　　 该导弹舵机伺服控制系统在某航天企业导弹舵机专用测试仪上进行了测试及优化。测试结果表明根据本文设计的数字式导弹舵机伺服控制系统达到了较高的控制性能，证明了该设计方案的可行性与可靠性，具有良好的应用价值。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2导弹舵机伺服系统研究状况和发展趋势

1.2.1导弹舵机伺服系统研究状况

1.2.2导弹舵机伺服系统发展趋势

1.3本文的主要研究内容

第二章直流伺服控制技术

2.1直流伺服电机的工作原理及其控制方式

2.1.1永磁直流伺服电机的工作原理

2.1.2永磁直流伺服电机的数学模型

2.1.3永磁直流伺服电机的控制方式

2.2直流电机伺服控制算法

2.2.1 PID控制算法

2.2.2模糊控制算法

2.2.3复合控制算法

2.3导弹舵机伺服系统概述

2.3.1导弹舵机伺服系统的结构

2.3.2导弹舵机伺服系统的功能

第三章舵机伺服控制系统总体设计

3.1设计需求

3.2面向嵌入式的伺服控制系统开发基本流程

3.3伺服控制系统总体方案设计

第四章伺服控制系统硬件设计

4.1系统硬件结构

4.2数字信号控制芯片

4.3防直通保护电路

4.4系统辅助电源设计

4.4.1高精度±15V隔离开关电源

4.4.2 12V非隔离开关电源

4.4.3 5V高精度参考电压源

4.5隔离、驱动和功率变换电路设计

4.5.1隔离电路

4.5.2驱动电路

4.5.3功率变换电路

4.6位置信号调理电路设计

4.7硬件系统抗干扰设计

4.8电子结构及散热设计

第五章伺服控制系统软件设计

5.1嵌入式操作系统平台

5.1.1嵌入式软件结构体系

5.1.2嵌入式操作系统比选

5.1.3嵌入式操作系统的移植

5.2任务的划分与创建

5.3伺服系统调节器的设计

5.3.1速度环调节器设计

5.3.2位置环调节器设计

5.4软件系统的抗干扰设计

第六章导弹舵机伺服系统样机及性能测试

6.1导弹舵机伺服系统样机

6.2舵机伺服系统测试环境

6.3舵机伺服系统实测数据与分析

第七章总结与展望

7.1研究总结

7.2未来研究方向及展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间完成的论文和科研成果