机电一体化设计论文提纲

论文题目：机电一体化灵巧舵机控制系统设计

摘要：电动舵机是一种复杂的机电一体化系统,是飞机、导弹等飞行器飞行控制系统的关键组成部分,其性能的好坏直接决定了整个飞行器性能的优劣。随着电力电子技术和永磁电机的发展,新型永磁无刷直流电机以其体积小、功率密度高、结构简单、控制灵活等诸多优点,已广泛应用于电动舵机系统。本文采用盘式无刷直流电机作为电动舵机系统的动力源,对其结构特点、工作原理、驱动方式分别展开分析,并对其数学模型和传递函数进行了推导。研制了一套体积小、结构紧凑、可靠性高的硬件电路,设计了位置、转速、电流三闭环控制算法,以得到较好的控制精度。为了验证所设计硬件系统的可靠性和控制策略的可行性,搭建了实验平台,并对原理样机进行了测试实验。结果表明,所研制的舵机系统满足控制性能要求,具有灵巧的一体化特点,具有很高的应用价值。论文研究的内容主要包括以下几个方面:1.提出了电动舵机伺服系统关键技术指标。分析了舵机用无刷直流电机的结构与基本原理,得到了等效电路图,建立了无刷直流电机的动力学模型,并推导出了电动舵机的传递函数。2.针对整个驱动系统,研制了一套以DSP+CPLD为核心控制架构的智能功率驱动电路,包括主电源滤波及转换电路、电流检测与过流保护电路、位置检测与旋变激励信号调理电路、串口通信及其外围电路。3.根据无刷直流电机的运行特点及数学模型,设计了位置、转速、电流三闭环控制算法,其中位置环采用比例积分控制,速度环、电流环均采用比例控制。在DSP主控制器中设计了控制模块、定时器模块、采样模块和串口通信等模块。在CPLD辅助控制器中设计了Hall换相逻辑、舵机转动方向解算逻辑、位置超限和过流保护等逻辑。4.搭建了完整的实验驱动平台,对原理样机进行了控制性能测试实验,并对结果进行了详细地描述和分析。

关键词：舵机;无刷直流电机;DSP;CPLD;PID控制

学科专业：检测技术与自动化装置

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外电动舵机系统的研究现状

1.3 电动舵机伺服驱动系统的发展现状

1.3.1 伺服电机的发展

1.3.2 控制器的发展

1.3.3 控制方法的研究现状

1.4 本论文的内容安排

第二章 电动舵机的原理及数学模型

2.1 引言

2.2 电动舵机伺服系统关键技术指标

2.2.1 舵机主要结构参数

2.2.2 机械性能指标

2.2.3 系统闭环特性指标

2.3 电动舵机伺服驱动系统的结构与工作原理

2.4 电动舵机伺服驱动系统的数学模型

2.4.1 无刷直流电机的结构

2.4.2 三相全桥驱动电路及绕组导通方式

2.4.3 PWM驱动方式

2.4.4 无刷直流电机的数学模型

2.5 本章小结

第三章 电动舵机驱动系统的硬件电路设计

3.1 引言

3.2 系统硬件总体设计

3.3 系统控制器电路设计

3.3.1 主控制器电路设计

3.3.2 辅助控制器电路设计

3.4 系统外围电路设计

3.4.1 主电源滤波电路

3.4.2 二次电源转换电路

3.4.3 智能驱动电路

3.4.4 电流检测与过流保护电路

3.4.5 位置检测与旋变激励信号调理电路

3.4.6 串口通信电路

3.5 本章小结

第四章 电动舵机控制系统的软件设计

4.1 引言

4.2 系统软件总体设计

4.3 DSP软件设计

4.3.1 控制模块设计

4.3.2 定时器模块设计

4.3.3 信号采集模块设计

4.3.4 串口通信模块设计

4.4 CPLD软件设计

4.4.1 Hall换相逻辑运算单元

4.4.2 舵机转速方向解算单元

4.4.3 逻辑保护单元

4.5 本章小结

第五章 实验结果与分析

5.1 引言

5.2 实验平台的搭建

5.3 实验结果分析

5.3.1 串口通信模块测试分析

5.3.2 稳态实验测试分析

5.3.3 动态实验测试分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢