基于DSP的电动舵机控制系统

河南科技大学 硕士学位论文 基于DSP的电动舵机控制系统 姓名：韩丰 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：张安年;丁喆 @
摘 要
论文题目： 专 业： 研 究 生： 指导教师：
基于 DSP 的电动舵机控制系统 控制理论与控制工的执行机构。它的任务是根据制导系统的指令信号，克 服铰链在舵面上的气动力矩，操纵舵面或推力导向器，使导弹达到或维持正确的 姿态，从而控制导弹的飞行方向。发达国家的电动舵机采用直流无刷电机作为执 行器，其控制系统则用 DSP 控制的双脉冲调宽（PWM）。我国目前的电动舵机 则仍然用直流有刷电机作为执行器，其控制系统仍然采用模拟调节器，因此研究 基于 DSP 的电动舵机控制系统对于提高我国空间武器的技术水平具有重要的意 义。 本文提出的基于 DSP 的电动舵机控制系统是由任意波形信号发生器、DSP 处理器、D/A 转换模块、高频双 PWM 调制器、直流电机及减速机构、位置反馈 单元等模块构成的闭环位置伺服系统。 系统由任意波形信号发生器模拟控制舱发出位置给定信号，输入 DSP 中进 行 A/D 转换，在片内将其与位置反馈信号比较后进行 PID 运算产生位置控制信 号，由于高频双 PWM 调解器的电压输入范围为 3V-7V，所以需由片内用程序将 控制信号由限制，DSP 输出的控制量经 D/A 转换为 3V-7V 的模拟量控制电压， 经高频双 PWM 控制电机的运行，舵机的角位置偏转信号由位置反馈单元进入 DSP 片内 A/D 模块，构成闭环位置控制系统 本课题的研究意义在于在电动舵机的控制系统中用基于 DSP 的数字控制器 代替原来的模拟调节器，克服了模拟调节器的零漂、温漂和零位振颤等问题，提 高了电动舵机的控制品质。 论文对电动舵机位置控制系统的系统结构、硬件电路设计、控制算法以及软 件实现进行了研讨，在仿真研究的基础上最后进行了实验研究。
1.3 研究内容
本论文的主要研究内容是采用 DSP 为主控制单元开发出的舵机直流电机的 位置控制系统，主要工作有以下几个方面： (1) 分析对比各种 DSP 芯片的性能，确定选定的 DSP 型号；
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第 1 章 绪论
(2) 硬件电路设计，电路板的制作和调试； (3) 开发能模拟控制舱控制信号的任意波形发生器； (4) 控制算法的选择和仿真研究； (5) 控制参数的调整和实验研究。 对本文设计的直流电机位置控制单元的性能作了实验和总结。
1.2 研究现状
1.2.1 舵机的分类及特点 舵机作为舵系统的核心部件，一般按能源种类的不同而划分为液压舵机、气 动舵机（又细分为冷气舵机和燃气舵机）和电动舵机。 液压舵机的特点是：负载刚度高，时间常数小，比功率（单位质量的功率） 大，系统频带宽，响应快，抗反操纵能力强。液压舵机的缺点是结构复杂，加工 精度高，成本昂贵，对污染敏感，可靠性差，系统维护费用高。以前液压舵机广
ABSTRACT
The rudder is the executing part of the missile control system. It is used to adjusts the missile’s flying pose according to the instruction signal of the navigation system. The developed countries use BLDCM as the executive part, and use DSP to generates dual PWM as the control system. Our country is still use the DCM as the executive part, and the control system is analog circuits. It has great importance to have a study on the electric rudder control system based on DSP. The electric rudder control system based on DSP is consist of arbitrary waveform generator, DSP, D/A converter, high frequency dual PWM generator, DCM and the position feedback unit. These parts build up a close loop position servo system. The arbitrary waveform generator send out the given analog signal to the A/D converter in the DSP, then compare it to the position feedback signal and generate the position control signal after PID calculation. Because of the high frequency PWM generator’s output volt range is 3V~7V, the position control signal must be limited by the program in the DSP, then the signal is converted analog signal by the D/A converter outside the DSP. The DCM is controlled by the signal. The rotational angle signal is sent into the A/D module of the DSP. The significance of this research is, we use digital controller based on DSP to instead of the analog circuits, it reduced the disadvantage of the analog circuits, and it improve the DCM’s control capability. This paper researched the system structure, hardware design, control arithmetic and software design, then we emulated the whole control system, and then do some experiments based on the emulation.
DSP
输出限幅
任意波形发生器
信号给定
PID
D/A
高频双PWM 调节器
Fig 2-1 The Structure Of The Whole Control System
系统由任意波形发生器模拟控制舱发出的位置给定信号 Ug，输入 DSP 中进 行 A/D 转换，将其与位置反馈信号 Uf 比较后进行 PID 运算，产生出位置控制信 号 Uc，由于高频双 PWM 波调制模块模拟电压输入范围为 3V-7V，所以需用软 件将输出位置控制信号 Uc 限幅匹配后再输出至 D/A 转换器。最后由高频双 PWM 调制器调节舵偏角，舵机偏转的位置信号由精密电位器反馈回 DSP 内部进 行 A/D 转换，构成闭环位置控制系统。 系统的各单元作用如下： 任意波形发生器：用于模拟控制舱发出的位置控制信号。 DSP：位置给定信号及位置反馈信号的采集、偏差计算、控制计算、控制信 号的限幅及输出。 D/A：位置控制信号的数/模转换。 高频双 PWM 调制器：将数/模转换后的位置控制信号调制为与电机端电压 成比例的脉宽信号。
1.4 论文的组织结构
本文主要内容分为七章，分别为： 第一章：绪论 第二章：舵机位置控制系统构成原理 第三章：硬件设计 第四章：控制器设计 第五章：仿真研究及系统软件设计 第六章：实验研究 第七章：总结
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第 2 章 舵机位置控制系统构成原理
第2章 舵机位置控制系统构成原理
2.1 系统构成原理
舵机位置控制系统由任意波形发生器、DSP 控制电路及控制算法、D/A 转 换模块、高频双 PWM 调制器、位置反馈组成，其结构如图 2-1 所示。
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河南科技大学硕士学位论文
泛采用节流调速阀，如美国的“爱国者”导弹等，如为了进一步提高液压系统工 作压力，采用动压反馈伺服阀、作动器位置反馈伺服阀等，使系统精度和可靠性 明显提高。目前已有频带宽度达 200-500Hz 的动压反馈式伺服阀问世，而且采用 脉宽调制新技术的高速电磁阀也已应用于工程实践，使液压舵机的缺点得以逐步 克服。液压舵机多用于弹径较大的中、远程战术导弹上。 气动舵机发展较早，由于它具有结构简单，造价低廉，消耗弹上能源少，对 污染不甚敏感等优点，至今仍有较高的使用价值。气动舵机最大的缺点是由于气 体的可压缩性限制了它的快速性和负载刚度的提高。舵系统的频带窄，抗反操纵 能力弱。目前采用提高冷气的工作压力，改进关键件的结构设计，以及制造工艺 技术，可使快速性和负载刚度有明显提高。尤其是高速开关电磁阀技术和脉宽调 制（PWM ）技术的结合应用，使小型气动舵机的应用向前迈进了一大步，也出 现了多种气动舵机的应用范例。如俄罗斯在 SA-2 上采用了 8-10 个大气压的气动 舵机，为改善性能，在较为先进的 SA-6 中，将气动舵机的工作压力提高到 28 个大气压。“D02”末制导炮弹和“ D01 ”炮射导弹舵机，更具特色。气动舵系 统通常用于近程、中程战术导弹上，很少用于远程导弹和航空智能炸弹上。 电动舵机以电力为能源。随着新型电动机的相继出现，它的功率、体积、重 量、精确控制等方面都有了很大的提高[1-2]。 1.2.2 电动舵机的发展及国内外现状 目前在导弹飞控系统中应用电动舵机的系统很多，在近程、中程战术导弹中 要求电动舵机在功率储备方面要大、结构要简单、体积和重量要适宜才能完成对 他们的控制。 电动舵机在飞控系统中不仅仅是一个执行机构，同时也具有传感器的功能， 即为控制伺服系统而设置的位置反馈和速度反馈传感器，使电动舵机的反馈信号 越来越精确。随着传感器性能的提高和各种新型电机性能的提高，使得电动舵机 的性能越来越完善，并朝着数字式、多余度、大功率、高精度和智能化的方面发 展。