直流陀螺电机稳速系统的研究

摘要

陀螺寻北仪是一种全天候、不依赖其他条件测定真北的定向仪器,通过敏感地球自转角速度来完成找北。陀螺电机是陀螺寻北仪的心脏,要使陀螺仪稳定且寻北精度高,必须要求陀螺电机在寻北过程中保持较高的转速稳定度。传统陀螺马达多采用交流电机,交流电机存在结构复杂、效率较低等缺点,且很难达到较高的转速精度。无刷直流电机不仅转速稳定度优于交流电机,而且体积小、结构简单、调速特性好、效率高。
　　为了提高陀螺寻北仪的定向精度,从陀螺运动方程入手分析研究了陀螺电机转速大小和转速精度对寻北结果的影响。阐述了两相无位置传感器无刷直流电机的工作原理,给出了简化结构及电机的数学模型。
　　在两相无刷直流电机工作原理和数学模型的基础上,设计了基于DSP的陀螺电机硬件控制系统。电机的驱动控制信号为四路相位相差90°的方波信号,由TMS320LF2407产生;采用双H桥模块对电机进行控制,四路方波信号通过改变双H桥的通断来实现无刷直流电机的启动、调速和停止。为了能够提高直流电机的转速精度,在开环的基础上设计了电机闭环控制系统。闭环控制的核心在于反电势提取。电机的端电压由脉冲控制信号与反电势信号叠加而成,对端电压进行滤波来滤除不需要的高频成分,再将反电势信号进行过零比较。过零比较后得到的输出信号是与反电势频率相同的方波信号,DSP根据反电势信号的频率改变输出的四路驱动信号,对电机进行闭环控制。
　　在硬件电路的基础上设计了两相直流电机的软件控制系统,完成了四路相位相差90°的方波信号的生成、反电势提取、频率值计算和闭环控制等任务。
　　对电机控制系统的功能和性能进行大量的测试实验并对实验结果进行了分析和处理。实验结果表明,控制系统的各个单元均能正常工作且性能良好,电机启动制动较快,闭环转速精度小于10-6,抗电磁干扰能力强,控制电路在一定范围的电压和频率变化情况下均能正常运行,满足陀螺仪的工作要求。根据转速精度对陀螺寻北影响的分析可知,电机转速稳定在10-6之内时,可以把由转速稳定性引起的寻北误差控制在1″以内。

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第一章 绪论

1.1陀螺寻北技术与陀螺经纬仪

1.2陀螺电机特性分析

1.3国内外对于无刷直流电机的研究现状

1.4论文主要工作

第二章 转速对寻北的影响和电机原理

2.1陀螺电机转速对陀螺寻北的影响

2.2两相无刷直流电机原理及数学模型

第三章 硬件系统设计

3.1 DSP系统设计

3.2功率放大及隔离电路

3.3双H桥驱动模块

3.4滤波电路

3.5反电势信号提取电路

第四章 软件系统设计

4.1软件总体结构

4.2系统初始化

4.3开环控制部分

4.4闭环控制部分

第五章 系统实验

5.1控制电路功能测试

5.2启动时间、制动时间测试

5.3电机开环转速测试

5.4电机闭环转速测试

5.5不同供电电压运行测试

5.6抗干扰性能测试

5.7电机摆动时转速稳定性测试

5.8实验总结分析

第六章 全文总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢