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舵机系统自适应控制策略研究

作　者: 郭可发
导　师: 李铁才
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 舵机系统 FPGA 模糊控制自适应控制 PID控制
分类号: V421.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

舵机系统作为高精度的位置伺服系统,主要应用于航天及军事等一些特定场合。舵机控制系统具有非线性和负载时变等特征,其准确动力学模型难以建立,而采用模糊自适应控制策略,则可以强化控制系统的适应性。FPGA控制相对DSP控制来说,具有高速运算能力,低功耗,高集成度等特点。本论文以单轴舵机位置伺服系统为工程背景,对基于FPGA的舵机控制系统进行研究。论文首先分析了舵机系统控制原理,从无刷直流电机,三相桥驱动方式,减速齿轮箱,位置检测等环节出发,建立了舵机系统的数学模型。基于系统模型,确定采用电流环、速度环和位置环结合的三环控制策略,并针对每一个环路的不同特点,采取合适的控制算法。其次,针对舵机系统客观存在的非线性因素,探索智能算法加PID的控制策略,将其应用于位置环调节。由于舵机系统存在的时变性,随机干扰等因素,模糊控制规则通常显得不够完善,为了弥补这个不足,本文中采用了自适应方法使模糊控制规则在控制过程中自行调整,并搭建了相应的Matlab/Simulink仿真模型,验证其性能。再次,从硬件和软件两个方面对舵机系统进行设计。硬件设计按照功能模块划分为电源模块、A/D转换和三相桥驱动等模块;设计的软件功能模块包括开环、电流采样、PI算法和模糊控制器等。用Xilinx ISE仿真验证各个模块的功能。最后,从系统角度出发,研究FPGA设计流程,给出FPGA的控制时序。进行系统试验,分析试验结果,结果表明基于FPGA的舵机系统模糊自适应控制策略具有较好的性能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-15
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  8-9
  1.2 模糊自适应的发展概况和发展趋势  9-13
    1.2.1 自适应控制的发展历程  9-10
    1.2.2 模糊控制的发展及趋势  10-13
  1.3 舵机伺服系统发展现状及趋势  13-14
  1.4 本文主要研究内容及安排  14-15
第2章舵机系统数学模型及控制策略  15-26
  2.1 引言  15
  2.2 舵机系统的组成及工作原理  15-16
  2.3 舵机系统数学模型  16-21
    2.3.1 无刷直流电机  16-18
    2.3.2 PWM波调制的三相桥驱动  18-20
    2.3.3 减速齿轮箱与位置检测环节的模型分析  20-21
  2.4 舵机系统控制策略  21-25
    2.4.1 三闭环控制策略分析  21-22
    2.4.2 速度环设计  22-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章模糊自适应控制研究  26-40
  3.1 引言  26
  3.2 模糊控制的结构和原理  26-30
    3.2.1 模糊控制系统结构  26-28
    3.2.2 模糊控制器的基本结构  28
    3.2.3 模糊控制的数学基础  28-30
  3.3 模糊自适应PID控制策略  30-38
    3.3.1 模糊自适应控制系统结构  31-33
    3.3.2 模糊自适应PID控制系统的设计  33-38
  3.4 模糊自适应PID的仿真与分析  38-39
  3.5 本章小结  39-40
第4章舵机系统的设计  40-51
  4.1 引言  40
  4.2 系统的主要硬件设计  40-43
    4.2.1 电源模块  40-41
    4.2.2 A/D转换  41
    4.2.3 三相桥驱动  41-43
  4.3 基于FPGA的无刷直流电机驱动控制  43-50
    4.3.1 开环模块  43-46
    4.3.2 电流采样模块  46-47
    4.3.3 PI的实现  47-48
    4.3.4 模糊控制器模块  48-50
  4.4 本章小结  50-51
第5章舵机位置伺服系统FPGA实现  51-58
  5.1 引言  51
  5.2 FPGA设计流程和设计工具  51-53
  5.3 舵机FPGA控制时序及版图结构  53-55
  5.4 实验结果与分析  55-57
  5.5 本章小结  57-58
结论  58-59
参考文献  59-64
致谢  64

舵机系统自适应控制策略研究

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