无人机直流无刷电动舵回路控制技术研究

论文摘要

交流舵回路已在多种型号无人机中成功应用多年。本文针对新型无人机研制的需求,在对已有交流舵机进行建模与结构参数估计的基础上,重新设计了前置信号处理算法和控制律,有效提高了系统的响应速度和定位精度。但由于交流舵回路测量精度低和机械间隙大等原因,仅依靠控制器的优化无法从根本上提高舵回路的精度,导致控制品质不能满足新型无人机的需求。直流无刷舵回路以其优良的电气、机械特性成为近年来的研究热点。随着舵回路控制技术的发展,其总体技术指标如体积重量、带宽、机械间隙、滞后时间、效率等都明显优于传统交流舵回路。从控制系统设计与研究角度出发,交流舵回路与直流无刷舵回路并无本质差异,而“无刷”是它们的共同特点。因此,在交流舵回路研究中所采用的新技术、新方法与取得的研究成果可以移植到直流舵回路的设计与研究中。本文以继承和发展的研究策略为指导思想,完成了直流无刷舵回路的完整设计。研制了以单片机、速度控制器为核心的舵机控制器硬件验证平台,该平台具有体积小、集成化程度高、控制律便于调整与优化等优点。开发并实现了伺服控制以及串行通信等功能的控制软件。实际测试结果验证了设计的正确性,为下一阶段的研究工作奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无人机飞行控制系统与舵回路
• 1.3 本文的研究背景及意义
• 1.3.1 无人机舵回路发展及现状
• 1.3.2 交流舵机的优点与存在不足
• 1.3.3 模拟式与数字式舵机控制器比较分析
• 1.3.4 研究意义
• 1.4 课题难点与关键技术
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 交流舵回路性能分析与控制律优化
• 2.1 引言
• 2.2 系统辨识理论
• 2.2.1 辨识目的
• 2.2.2 系统辨识理论研究
• 2.2.3 伪随机二位式序列—M 序列
• 2.3 交流舵机系统辨识
• 2.3.1 舵机模型辨识原理
• 2.3.2 辨识实验设计与分析
• 2.4 舵机模型验证
• 2.5 控制律优化设计与验证
• 2.5.1 舵机模型结构及参数比较
• 2.5.2 控制律优化设计
• 2.5.3 验证实验结果及比较
• 2.6 交流舵回路变阻尼设计与验证
• 2.6.1 变阻尼控制原理
• 2.6.2 前置信号处理
• 2.6.3 变阻尼控制律设计
• 2.6.4 测试结果分析
• 2.7 小结
• 第三章 直流无刷舵回路方案设计论证
• 3.1 引言
• 3.2 直流无刷舵回路总体设计
• 3.2.1 舵回路设计目标
• 3.2.2 舵回路设计思想
• 3.2.3 舵回路总体结构设计
• 3.3 舵机选型研究
• 3.3.1 舵机的分类
• 3.3.2 舵机的选择
• 3.3.3 设计选用舵机
• 3.4 舵机控制器设计方案
• 3.4.1 飞控计算机与舵机控制器的接口关系
• 3.4.2 驱动电路的选择
• 3.4.3 主控芯片的选择
• 3.5 直流无刷舵回路基本原理
• 3.6 小结
• 第四章 直流无刷舵回路详细设计
• 4.1 引言
• 4.2 控制器结构与控制律设计
• 4.2.1 电流速度环控制参数整定
• 4.2.2 位置环控制律设计
• 4.2.3 数学仿真验证
• 4.3 舵机控制器硬件设计
• 4.3.1 硬件功能模块组成
• 4.3.2 直流无刷电机调速系统设计
• 4.3.3 单片机及其外围电路设计
• 4.3.4 反馈信号调理电路设计
• 4.3.5 串口通信电路设计
• 4.3.6 系统供电方案设计
• 4.4 软件设计
• 4.4.1 程序结构设计
• 4.4.2 主程序设计
• 4.4.3 中断服务子程序设计
• 4.4.4 控制信号输出子程序设计
• 4.5 小结
• 第五章 实验验证和系统测试
• 5.1 引言
• 5.2 调速系统控制精度验证实验
• 5.3 实际系统测试验证
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 后续展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文