水声测量用回转定深控制系统研究与开发

论文摘要

本论文以某军用水声测量装置的研制为背景,深入研究开发了其中的回转定深控制系统。 鉴于被控对象具有超低速、低噪声和高精度定位性能的特点要求,提出在以集散控制方式构建该控制系统的前提下,回转和定深控制子系统均采用无刷直流力矩电动机的数字PWM控制方案。控制结构采用由电流、转速和位置三环组成的复合调节方式,其中电流环使用PID控制算法,而转速和位置环采用模糊-PID智能控制算法。同时,基于ATmega8微控制器开发的电动机驱动器主要用来实现无刷直流力矩电动机的驱动和电流闭环调节,而以AT90S8515微控制器为核心的通信控制器则主要完成转速、位置的闭环调节以及和上位机之间的数据交换等工作。 论文最后进行了系统的建模和仿真,其结果表明本文采用的模糊-PID控制算法在转速和位置环的调节中完全可以满足控制系统的定位和速度响应要求,验证了算法的可行性。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 本论文的研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 伺服控制技术的发展
• 1.2.2 水声测量用回转定深装置的研究状况及发展趋势
• 1.3 本论文的主要工作
• 2 总体方案分析与选型
• 2.1 总体方案概述
• 2.2 调速方案及电动机选择
• 2.2.1 直流PWM调速和交流变频调速
• 2.2.1.1 直流PWM调速
• 2.2.1.2 交流变频调速
• 2.2.2 无刷直流电动机（BLDCM）及其PWM控制方法
• 2.2.2.1 无刷直流电动机工作原理
• 2.2.2.2 无刷直流电机的控制方法
• 2.2.3 直流力矩电动机
• 2.2.3.1 直流力矩电动机的特点
• 2.2.3.2 直流力矩电动机转矩大、转速低的原因
• 2.2.3.3 力矩电动机在本控制系统中的应用
• 2.2.4 本系统中所确定的控制电机调速方案
• 2.3 控制系统结构
• 2.3.1 集散控制（DCS）在本控制系统中的应用
• 2.3.2 控制系统结构
• 2.4 本章小节
• 3 控制策略及算法研究
• 3.1 无刷直流电机的数学模型
• 3.2 无刷直流力矩电机的控制策略
• 3.2.1 控制策略的确定
• 3.2.2 PID控制器的设计
• 3.2.3 模糊控制器的设计
• 3.2.3.1 模糊控制思想及原理
• 3.2.3.2 模糊控制器设计的内容
• 3.2.4 模糊-PID控制算法在无刷直流力矩电机控制中的应用
• 3.2.4.1 输入输出变量和模糊控制规则
• 3.2.4.2 量化因子和比例因子的选取
• 3.2.4.3 模糊查询表的确定
• 3.3 本章小节
• 4 系统硬件分析设计
• 4.1 BLDCTM驱动器的设计
• 4.1.1 硬件系统组成
• 4.1.2 主要电路模块及其功能实现
• 4.1.2.1 ATmega8外围电路及其内置A／D和PWM输出电路
• 4.1.2.2 LM621及其外围电路
• 4.1.2.3 电流检测电路
• 4.1.2.4 电源电路
• 4.2 通信控制器的设计
• 4.2.1 硬件系统组成
• 4.2.2 主要电路模块及其功能实现
• 4.2.2.1 位置、转速及转向检测电路
• 4.2.2.2 串行通信电路
• 4.2.2.3 D／A输出电路
• 4.2.2.4 控制模式选择电路
• 4.2.2.5 掉电保护电路
• 4.2.2.6 人机接口电路
• 4.3 控制系统的硬件抗干扰
• 4.3.1 微控制器内部集成的抗干扰措施
• 4.3.2 电源抗干扰
• 4.3.3 RS-422的网络失效保护
• 4.3.4 印刷电路板（PCB）的抗干扰
• 4.4 本章小结
• 5 系统软件分析设计
• 5.1 BLDCTM驱动器软件设计
• 5.2 通信控制器软件设计
• 5.2.1 主程序设计
• 5.2.2 掉电保护子程序
• 5.2.3 键盘中断服务子程序
• 5.2.4 T1定时中断服务子程序
• 5.2.5 UART接收中断服务子程序
• 5.2.6 转速和位置环控制算法模块子程序
• 5.3 上位机控制软件设计
• 5.4 本章小节
• 6 系统仿真计算及精度分析
• 6.1 基于Matlab的转速、位置环仿真计算
• 6.2 控制系统精度分析
• 6.3 本章小节
• 7 结论与建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录A BLDCTM驱动器硬件原理总图
• 附录B 通信控制器硬件原理总图
• 附录C 上位机控制软件界面