高精度激光跟踪装置闭环控制若干关键问题研究

论文摘要

集激光、精密机械、运动控制及集成电子等多种技术为一体的激光跟踪探测装置,具有测量范围广、精度高、速度快及非接触等优点,被广泛应用于航空航天及大尺度工业测量等领域。高精度二维闭环伺服控制作为激光跟踪探测中的关键技术,其跟踪性能、闭环控制精度、稳定性及响应速度等性能指标直接影响着整个系统的探测精度。因此对此项关键技术的研究对激光跟踪探测系统有着非常重要的意义。本课题对以圆感应同步器、直流力矩电机、DSP数字伺服控制器构成的高精度数字闭环伺服控制系统进行研究,具体内容如下。初步探讨模型预测控制算法的基本原理,由直流力矩电机的出厂参数建立其模型预测控制算法的控制模型,通过仿真对其控制的主要影响因素进行分析,得到适合系统的控制策略。针对伺服系统控制电机的特点和电机PWM驱动原理,设计基于LMD18200功率芯片的电机驱动电路,该电路具有高增益、快速响应、电流反馈和过温保护的特点。参照GJB1801-93分别对高精度测角系统的各项性能进行测试,测角系统在伺服系统工作范围±30?内的角位置测量精度为±4.92?,并对试验数据的主要误差因素进行定性分析。最后对整个闭环伺服系统位置控制精度进行实验测试。实验验证了模型预测控制算法在闭环伺服系统中应用的可行性,并得到伺服系统在工作范围±30?内最大稳态误差为–8.80?,稳态精度为±1.76?,角位置控制重复性为±4.40?。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 激光跟踪探测技术的发展概述
• 1.3 模型预测控制的发展概述
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第2章 激光跟踪探测系统的原理与构成
• 2.1 引言
• 2.2 激光跟踪探测系统
• 2.3 闭环伺服控制系统分析
• 2.3.1 闭环伺服控制系统构成
• 2.3.2 DSP数字伺服控制器
• 2.3.3 高精度测角系统
• 2.3.4 电机驱动方式
• 2.3.5 执行电机性能
• 2.4 本章小结
• 第3章 模型预测控制算法
• 3.1 引言
• 3.2 模型预测控制算法的特点
• 3.2.1 模型预测
• 3.2.2 滚动优化
• 3.2.3 反馈校正
• 3.3 模型预测控制算法的原理
• 3.4 直流力矩电机数学模型的建立与仿真
• 3.4.1 直流力矩电机模型
• 3.4.2 模型预测控制算法仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 闭环伺服系统硬件平台
• 4.1 引言
• 4.2 高精度测角系统
• 4.2.1 旋转式感应同步器结构
• 4.2.2 测角系统总体方案
• 4.2.3 测角系统硬件电路原理与实现
• 4.2.4 AD2S90 误差分析
• 4.3 DSP数字伺服控制器
• 4.3.1 DSP控制单元
• 4.3.2 FPGA模块的设计及功能的实现
• 4.3.3 外部接口电路
• 4.4 电机驱动板
• 4.4.1 双极性PWM功率放大器原理
• 4.4.2 功率驱动电路
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验结果与分析
• 5.1 引言
• 5.2 测角系统试验
• 5.2.1 试验方案
• 5.2.2 试验结果
• 5.2.3 试验分析
• 5.3 闭环伺服控制精度实验
• 5.3.1 角位置控制精度实验
• 5.3.2 稳态精度测试实验
• 5.3.3 角位置控制重复性测试实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢