自航船模控制系统研究

论文摘要

船模自航试验是分析研究各种推进效率成分的重要手段。随着电力电子技术和控制技术的发展,在有限的船池长度内,调节船模电机转速使船模处于稳定的自航状态已成为可能,从而可实现纯粹自航,以保证试验数据的精度、简化试验过程。因此自航船模控制系统的研究对船池技术改造、提高试验数据精度,进而预报实船性能、提高产品质量具有重要的现实意义。本课题针对船模自航试验中的船模控制,设计了以ATmega128单片机和CPLD(复杂可编程逻辑器件)为核心的下位机系统和由PC机构成的上位机系统,通过无线数传模块实现上下位机的串行通信,从而实现对船模电机伺服控制和实验数据的采集。具体研究如下:本文在分析船模自航试验的总体结构的基础上,确定了自航船模控制系统的总体控制方案;设计了以ATmega128和CPLD为核心的下位机控制系统硬件电路,其中包括通讯电路、基于大功率开关器件IGBT和H桥原理的电机驱动模块电路、基于CPLD的正交编码器接口电路和数据采集模块电路等,开发了基于C语言的下位机控制软件;使用Delphi软件设计了上位机控制界面,实现对下位机的系统管理并完成用户与下位机系统之间的信息交互;采用无线数传模块实现上下位机的串行通信,有效的提高了控制系统的通信速度和可靠性。对控制系统的硬件和软件部分进行了实验调试,基于dSPACE半物理仿真平台对船模电机控制系统进行了实验研究,并进行了数据采集及上下位机通信的实验研究。实验证明自航船模控制系统达到了设计要求,可以实现船模电机的速度伺服控制和实验数据的采集。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.1.1 课题的背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 直流伺服系统的国内外发展现状及前景
• 1.2.2 数据采集系统的国内外发展现状及前景
• 1.3 本文主要研究工作
• 第2章 自航船模的系统方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 系统总体方案设计
• 2.2.1 系统总体结构
• 2.2.2 驱动方案
• 2.2.3 检测方案设计
• 2.2.4 数据采集方案设计
• 2.2.5 系统总体控制方案设计
• 2.3 本章小结
• 第3章 控制系统的硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 控制系统硬件总体设计
• 3.3 单片机控制系统的设计
• 3.3.1 电源电路设计
• 3.3.2 通讯电路设计
• 3.3.3 存储器扩展
• 3.4 电机驱动模块的设计
• 3.4.1 PWM驱动整体电路设计
• 3.4.2 IGBT的驱动与保护电路设计
• 3.5 基于CPLD的正交编码器接口的设计
• 3.5.1 正交编码器计数原理
• 3.5.2 正交编码计数器模块的设计及仿真
• 3.6 数据采集模块的设计
• 3.6.1 数据采集模块电源电路的设计
• 3.6.2 信号处理电路的设计
• 3.7 I/O接口电路设计
• 3.8 本章小结
• 第4章 控制系统的软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统单片机软件设计
• 4.2.1 主程序设计
• 4.2.2 不完全微分PID控制设计
• 4.2.3 A/D转换模块程序设计
• 4.2.4 通讯模块程序设计
• 4.3 控制系统上位机软件设计
• 4.3.1 控制界面设计
• 4.3.2 串行通信界面设计
• 4.3.3 数据处理界面设计
• 4.3.4 其它部分界面设计
• 4.4 通信协议设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 控制系统硬件及软件调试
• 5.2.1 单片机系统的调试
• 5.2.2 CPLD外设模块的调试
• 5.2.3 系统软件调试
• 5.3 电机控制实验
• 5.3.1 电机伺服驱动器实验
• 5.3.2 基于dSPACE半物理仿真的电机伺服控制实验
• 5.4 数据采集实验
• 5.5 上下位机通信实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢