船舶襟翼舵伺服控制系统设计与实现

论文摘要

近年来,由于电子器件、微处理器的发展和控制技术的进步,对无刷直流系统向全数字化、无位置传感器化的发展产生了巨大的推动作用。数字信号处理器(DSP)具有功耗小、速度快、集成度高等优点,不仅可以满足电机对运动控制的要求,又能很大程度地减小硬件资源的使用,所以采用DSP作为微控制器核心是电动机控制技术的发展方向。本论文以三相无刷直流力矩电机和船舶襟翼舵为研究对象,整个系统的运行采用全数字三闭环控制,最后给出了有效的仿真结果和合理的实验结果。本文研究的船舶襟翼舵控制系统是通过在舵上增加一个相对独立运动的小控制面——翼舵,通过控制规律的优化来明显改善翼舵流体动力性能,但是船舶在海域中存在着大量不确定因素,如变结构、变参数、非线性、随机干扰等,所以难以建立受控对象精确的数学模型。而PID常规调节器的控制参数具有固定形式,不易在线调整,且参数整定过程长,参数间相互影响,折衷后难以收到最优效果。为解决该类问题,研究了一种基于神经网络的PID控制器,用神经网络在线调整PID控制器参数,并给出了有效的仿真结果;最后,在实现上,基于高性能数字处理器(DSP TMS320LF2812)和无刷直流力矩电机执行机构,采用神经网络和积分分离的智能控制算法,运用IPM智能功率驱动模块和PWM调制技术,基于CCS3.1平台和C语言实现软件调试,最终实现精确定位控制。论文介绍船舶襟翼舵伺服控制系统的背景和研究意义及国内外相关技术的研究现状,给出了无刷直流力矩电机和襟翼舵的建模,并对他们进行了联合建模,给出了广义对象的数学模型,同时,分析设计了系统的电流环、速度环和角度环三环控制器,基于Matlab/Simulink分别给出了有效的三环仿真结果;基于无位置传感器技术,给出了船舶襟翼舵系统硬件实现电路和软件实现结果;从最后的系统硬件调试和软件调试结果可知,系统的方案设计是可行的,具有一定的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 船舶襟翼舵伺服系统
• 1.1.1 系统的研究意义与背景
• 1.1.2 襟翼舵的国内外发展现状及特点
• 1.2 船舶襟翼舵伺服系统相关技术
• 1.2.1 人工神经网络
• 1.2.2 无位置传感器技术研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 船舶襟翼舵伺服系统方案设计
• 2.1 船舶襟翼舵电驱伺服系统
• 2.1.1 船舶襟翼舵伺服系统性能指标
• 2.1.2 船舶襟翼舵电驱伺服系统
• 2.2 无刷直流力矩电机的无位置传感器控制方案
• 2.2.1 无刷直流力矩电机的结构
• 2.2.2 控制对象建模分析
• 2.2.3 无刷直流力矩电机的动态结构
• 2.2.4 襟翼舵的动态结构
• 2.2.5 力矩电机的选型
• 2.2.6 减速器的选型
• 2.3 系统三环控制策略
• 2.3.1 电流控制器设计与仿真
• 2.3.2 速度控制器设计与仿真
• 2.3.3 角度控制器设计与仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 船舶襟翼舵系统硬件设计
• 3.1 TMS320LF2812的概述
• 3.2 对称PWM波形生成策略
• 3.3 系统硬件设计实现
• 3.3.1 DSP核心控制电路
• 3.3.2 IPM驱动电路设计
• 3.3.3 信号处理电路
• 3.4 硬件电路设计中的抗干扰措施
• 3.5 本章小结
• 第4章 船舶襟翼舵系统软件设计
• 4.1 DSP软件开发工具
• 4.1.1 集成开发软件CCS简介
• 4.1.2 DSP程序开发
• 4.2 软件实现分析
• 4.3 系统软件设计
• 4.3.1 软件整体控制结构
• 4.3.2 系统控制主程序
• 4.3.3 控制信号检测子程序
• 4.3.4 中断服务子程序
• 4.3.5 捕获中断服务程序
• 4.3.6 子程序
• 4.4 软件抗干扰设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 船舶襟翼舵系统实现及试验结果
• 5.1 系统总体构成
• 5.2 实现技术
• 5.3 系统硬件调试
• 5.3.1 控制电路板的调试
• 5.3.2 功率驱动电路板的调试
• 5.3.3 霍尔传感器信号的调试
• 5.4 系统软件调试
• 5.4.1 控制电路板软件调试
• 5.4.2 功率驱动电路板软件调试
• 5.5 系统试验结果
• 5.5.1 霍尔电流传感器信号
• 5.5.2 PWM调制信号波形
• 5.5.3 电机三相电压输出波形
• 5.5.4 位置伺服系统跟踪输出
• 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