基于滑模控制的无刷直流电机伺服系统研究

论文摘要

舵伺服系统在航空航天领域,有着广泛应用和重要的研究价值。应用无刷直流电机作为舵系统执行器,可以增大系统输出转矩,实现系统小型化。本文基于无刷直流电机执行器,利用DSP与FPGA结合的核心处理单元,应用滑模变结构控制策略,实现舵机系统伺服,提高舵系统抗扰性和信号响应的快速性;并在系统中加入滑模观测器,实现对于系统内部状态量的观测,为实现无位置传感器控制提供条件。本文应用无刷直流电机作为舵系统执行器,通过分析和设计滑模变结构控制算法,实现舵系统位置伺服控制,利用滑模变结构控制策略的特性,提高系统对于扰动和内部参数摄动的鲁棒性,与基于传统控制策略的伺服机构相比,系统的抗扰性得到了提高。并在系统中引入滑模观测器,利用电流、电压传感器采样相电流和相电压作为该观测器的给定量,观测出电机的速度,转子运动换相位置信号和三相反电动势波形,从而实现电机的无位置传感器控制。本文通过分析舵伺服机构的主要结构和工作原理,根据实际系统技术要求,设计出基于电动伺服系统的数字控制器。利用DSP强大的数据处理能力和FPGA并行运算能力,实现设计的控制算法,提高舵系统的性能。通过MATLAB中Simulink环境下构建理想系统模型,应用滑模控制算法,进行模型仿真。通过系统仿真分析,设计出满足离散系统的滑模控制器参数。并通过DSP与FPGA结合的核心处理单元实现滑模变结构控制算法,应用于舵伺服系统中。最后,通过完成整体硬件与软件平台设计,实现对舵伺服系统的控制。通过仿真和实验结果分析,验证了滑模控制具有强鲁棒性和抗扰性,满足舵系统对于快速性和抗扰性的技术要求,提高了系统整体控制性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外伺服研究现状
• 1.3 无刷直流电机控制方法
• 1.3.1 传统的控制方法
• 1.3.2 模糊控制方法
• 1.3.3 鲁棒控制方法
• 1.3.4 神经网络控制方法
• 1.3.5 自适应控制方法
• 1.3.6 滑模变结构控制方法
• 1.4 伺服系统应用的主要问题
• 1.5 课题研究的主要内容
• 第2章 伺服系统的构成与数学模型
• 2.1 伺服系统的总体结构
• 2.1.1 无刷直流电机的选择
• 2.1.2 伺服系统驱动方式
• 2.2 无刷直流电机的工作原理
• 2.3 无刷直流电机数学模型
• 2.3.1 无刷直流电机的方程
• 2.3.2 无刷直流电机的状态方程
• 2.3.3 无刷直流电机的电磁转矩方程
• 2.3.4 无刷直流电机的运动方程
• 2.3.5 无刷直流电机的机械特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于滑模变结构的控制系统设计
• 3.1 滑模控制器
• 3.2 滑模观测器
• 3.3 系统仿真与结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 滑模伺服系统硬件电路设计
• 4.1 主电路硬件设计
• 4.1.1 系统控制芯片
• 4.1.2 电压、电流传感器
• 4.1.3 A/D模数转换电路
• 4.1.4 信号滤波与调理
• 4.1.5 保护电路设计
• 4.1.6 光耦隔离电路
• 4.1.7 自举电路设计
• 4.1.8 电源系统设计
• 4.2 驱动电路设计
• 4.2.1 开关信号隔离电路
• 4.2.2 功率模块电路
• 4.3 本章小结
• 第5章 伺服系统软件控制
• 5.1 DSP程序设计
• 5.1.1 系统初始化
• 5.1.2 IPM充电延迟程序
• 5.1.3 中断程序
• 5.1.4 A/D采样程序
• 5.1.5 保护程序
• 5.1.6 电流环程序
• 5.1.7 位置环程序
• 5.1.8 滑模观测器程序
• 5.2 FPGA程序设计
• 5.2.1 系统时钟设计
• 5.2.2 DSP与FPGA通信
• 5.2.3 保护电路程序设计
• 5.2.4 驱动信号程序设计
• 5.2.5 霍尔位置信号检测
• 5.2.6 PWM信号产生程序
• 5.2.7 换相程序产生
• 5.3 实验结论与分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢