舵机位置伺服系统的ASIC控制研究

论文摘要

舵机系统作为高精度的位置伺服系统,主要应用于航天及军事等一些特定场合。ASIC(专用集成电路)控制相对DSP,FPGA等控制来说,在提高系统性能和可靠性的同时,可以减小系统体积,降低功耗,提高系统的集成度。论文以四轴舵机位置伺服系统为工程背景,对基于ASIC的舵机控制SoC系统进行研究。论文首先分析了舵机系统控制原理,从伺服电机,调制方式,位置检测等角度出发,建立了舵机系统的数学模型,基于系统模型,确立采用位置环、速度环和电流环结合的三环控制策略。并针对每一环路的不同特点,采取合适的控制算法。其次,具体分析研究速度环和位置环控制算法。舵机系统采取电位器作为位置传感器,速度反馈通过对位置信号不完全微分获取,速度环采取PDFF控制。位置环由于减速器、无刷直流电机等非线性因素影响,探索智能算法加PID的控制方式。并分别搭建Matlab/Simulink仿真模型,验证控制算法的性能。再次,从电流环角度出发,分析电流采样策略。针对电机控制系统电流环特点,研究并设计一种适宜于数字电流环的片载ADC,能方便地集成于电机控制ASIC。该ADC主要由锯齿波发生电路、采样更新模块、数字编码模块等组成。设计数字带阻滤波器消除电流环存在的一些干扰因素。给出电流环PI控制的算法实现过程。实验结果表明,本文所设计的电流环ADC能很好地满足电机控制系统电流环要求。最后,从系统角度出发,研究ASIC设计过程,给出ASIC的实现结果。进行系统试验,分析试验结果,结果表明基于ASIC的舵机系统具有较好的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 电机控制集成电路和IC 设计技术
• 1.2.1 电机控制集成电路发展现状
• 1.2.2 ASIC 设计的特点和发展趋势
• 1.3 舵机伺服系统发展现状及趋势
• 1.4 本文主要研究内容及安排
• 第2章 舵机系统数学模型及控制策略
• 2.1 引言
• 2.2 舵机系统的组成及工作原理
• 2.3 舵机系统数学模型
• 2.3.1 伺服电机
• 2.3.2 双极性调制
• 2.3.3 无校正环节舵机系统模型
• 2.4 系统控制策略
• 2.5 本章小结
• 第3章 速度环及位置环控制方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 速度闭环控制系统
• 3.2.1 反馈速度估算
• 3.2.2 速度环前馈控制算法
• 3.3 模糊自整定PID 控制策略
• 3.4 本章小结
• 第4章 数字电流环设计与实现
• 4.1 引言
• 4.2 电流采样策略
• 4.3 电流环ADC 分析与设计
• 4.3.1 A/D 转换电路的原理
• 4.3.2 锯齿波发生电路
• 4.3.3 DPWM 控制电路及同步信号
• 4.3.4 采样更新策略
• 4.4 数字带阻滤波器设计及Modelsim 仿真
• 4.5 数字PI 调节器
• 4.6 实验验证
• 4.7 本章小结
• 第5章 舵机位置伺服系统ASIC 实现
• 5.1 引言
• 5.2 ASIC 设计流程和设计工具
• 5.3 四轴舵机ASIC 控制时序及版图结构
• 5.4 试验结果与分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢