基于DSP的电动舵机控制系统的设计

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电动舵机系统作为飞行器的执行机构,是飞行器控制系统的重要组成部分之一,是一种高精度的位置伺服系统。本课题的研究目的是设计一个动态性能好、鲁棒性强的电动舵机控制系统。  本文总体分析了电动舵机系统和无刷直流电机的结构以及电机运行的一些关键问题(如驱动方式以及换向逻辑等),构建了电动舵机的数学模型,进行了系统硬件和控制策略的总体方案设计。为了得到更宽的调速范围和更好的调速性能,采用双极性PWM驱动方式,并在此驱动方式的基础上设计了换向逻辑,通过改变输出PWM的占空比即可实现电机的转速和转向控制。  硬件系统方面,本文以主控制器DSP和协处理器CPLD为核心搭建了硬件电路,主要包括EMI电源滤波器、控制器、功率驱动电路、信号采集电路以及保护电路等。设计的EMI电源滤波器能同时滤除共模干扰和差模干扰,且该滤波器的滤波作用是双向的,既能防止主电源本身的波动干扰电机的正常运行,又能防止功率器件高频开关造成的电压波动对主电源和硬件系统产生影响。考虑到CPLD在逻辑处理方面的优势以及电机运行对逻辑处理的需求,采用CPLD作为协处理器,减少了DSP外部器件,使设计更为灵活。  在控制策略方面,针对传统PID控制抗负载扰动能力差、动态性能不佳以及普通滑模变结构控制抑制抖振能力弱等问题,本文设计了基于趋近律和准滑动模态的滑模变结构控制方法。趋近律方法不仅能提高滑模控制的动态品质,还能通过选取合适的参数提高系统的抗负载干扰的能力。针对趋近律参数选择加剧抖振的问题,引入准滑动模态方法,利用饱和函数进行控制律设计,从而实现抑制抖振的目的。分别对基于PI控制和滑模变结构控制的电动舵机系统进行建模仿真,仿真结果表明,基于滑模变结构控制的电动舵机系统具有更好的动态性能和更强的抗负载变化能力。
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