电动舵机伺服系统的间隙与摩擦补偿控制

摘要

电动舵机伺服系统是一种高精度位置伺服系统，主要应用于飞行器、飞机、船舶、机器人等领域。电动舵机是舵机运动的执行机构，其任务是精确控制舵面的偏转，使被控对象达到预期的姿态或位置。舵机伺服系统的性能直接决定着整个控制系统的动态品质。
　　在电动舵机伺服系统中，间隙干扰和摩擦力矩干扰的存在对系统性能有着严重的影响。间隙干扰会给系统造成稳态误差、振荡等不良现象，甚至影响系统稳定性。摩擦力矩会使系统产生低速爬行现象、极限环振荡等，进而影响系统精度，降低系统动态性能。
　　本文以某型电动舵机为实验对象，对包括间隙干扰和摩擦力矩干扰的伺服系统建模和补偿问题，从理论上进行了分析和研究，并在实验平台上对提出的补偿方法进行了实验验证。
　　针对间隙干扰，本文分析了间隙的机理，采用逆间隙模型，有效地补偿了间隙非线性对系统性能的影响。
　　LuGre模型是一种描述两物体间摩擦力矩的常用动态模型，也是目前最能完整的描述摩擦力矩各非线性现象的数学模型。针对舵机伺服系统中的摩擦力矩，本文研究了基于LuGre摩擦模型的补偿方法，通过仿真和实验平台测试，验证了算法的有效性。
　　为了验证论文所提出的补偿控制方法，本文搭建了一套完整的舵机伺服系统实验平台。该实验平台采用直流电动机作为执行机构，应用TMS320F28335 DSP搭建了伺服系统控制器硬件，运用Matlab/Simulink设计了控制器软件，利用Solidworks设计了伺服系统机械机构。基于该伺服系统，完成了对间隙环节和摩擦力矩的特性分析及其补偿方法研究。
　　仿真分析和实验平台测试结果实验表明:逆间隙模型能有效地补偿间隙环节非线性特性干扰，消除间隙干扰给系统带来的不利影响;应用基于LuGre模型的摩擦力矩前馈补偿方法，控制系统能较好地补偿摩擦力矩，消除摩擦力矩引起的不良现象。

目录

声明

致谢

摘要

序言

1 引言

1．1 研究背景和意义

1．2 研究现状

1．2．1 摩擦特性研究现状

1．2．2 间隙特性研究现状

1．3 研究内容和研究方法

1．4 主要研究成果

2 电动舵机伺服系统建模

2．1 直流伺服系统

2．2 直流电机模型

2．3 伺服系统结构

2．4 摩擦特性分析

2．4．1 摩擦的影响

2．4．2 摩擦的模型与分析

2．4．3 摩擦的补偿方法

2．4．4 LuGre摩擦模型

2．5 间隙特性分析

2．5．1 间隙模型

2．5．2 间隙的补偿方法

2．5．3 逆间隙环节

3 二型模糊控制器设计

3．1 二型模糊理论

3．2 二型模糊控制器设计

3．2．1 模糊器

3．2．2 推理引擎与规则库

3．2．3 降型算法

3．2．4 精确器

4 实验平台设计

4．1 平台总体介绍

4．2 平台机械系统

4．2．1 机械设计方法

4．2．2 机械系统

4．3 平台电子系统

4．3．1 设备选型

4．3．2 输入输出通道设计

5 实验研究

5．1 控制系统建立

5．1．1 系统标定

5．1．2 系统建模

5．2 控制器设计

5．2．1 PID控制器设计

5．2．2 二型模糊控制器设计

5．3 间隙补偿实验

5．4 摩擦补偿实验

5．5 实验结果分析

5．5．1 间隙补偿结果分析

5．5．2 摩擦补偿结果分析

6 结论

参考文献

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