数字化有限转角直流无刷力矩电机伺服控制系统
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摘要
本文研究了一种新型的导弹舵机伺服控制系统。该系统是以80C196KC单片机为控制核心的数字化有限转角直流无刷力矩电机控制系统，它具有无需减速机构、输出转矩大、体积小，控制简单、响应快、跟踪精度高和可靠性高等优点。该系统在取代传统的液压、气动导弹舵机伺服控制系统方面有很大潜力，同时在航空舵机、伺服阀，以及机器人关节的直接驱动、雷达天线等领域具有广阔的应用前景。
论文详述了系统的工作原理与控制思想，以及系统方案的设计和各组成部分的功能与实现方法。提出并实现了系统双极性输入控制信号采样、编码器反馈信号与单片机接口、输入信号与反馈信号的量纲统一化、零位定位、以及逻辑驱动等处理方法。
作者设计了电路原理图，完成了系统软硬件设计、调试，和对系统原理样机性能的测试。在控制软件的设计上，采用模块化程序设计方法，充分利用单片机内部提供的A／D功能、中断功能、PWM功能、软件定时器等功能，设计出了A／D采样子程序、读编码器信号子程序、定位中断服务子程序、Z中断服务子程序、软件定时器中断服务子程序等模块化程序。不仅使程序结构清晰，而且也提高了系统的实时性、可靠性和精度，同时节省了系统软件调试时间。样机测试结果表明系统性能达到设计指标要求。
通过对连续域—离散化设计法、解析设计法、模糊控制设计法等几种控制器设计方法的研究与软件仿真，从理论上对系统作了进一步的探索和分析。
最后，总结出作者在系统设计调试时所遇到问题、解决措施和个人心得体会，并且对本系统的应用前景及实际意义也进行了分析与展望。
A new-style missile actuator servo control system is studied in the dissertation. The system is a Digital Limited Angle Brushless DC torque motor control system with a control core of 80C196KC MCU (micro chip computer). It has the characteristic of non-gear-box, large output torque, small volume, easy control, fast response, high track precision, high reliability etc. The system has potential advantages over substituting for traditional hydraulic or pneumatic missile actuator servo control system and has wide prospect in the fields of aerial actuator, servo valve, robot, radar antenna etc.
The system's operation principle, control idea, functions and realization of each component are discussed in detail. The methods of determination bipolar inputting control signal, optic-electron coder feedback signal connecting with MCU, dimension's unity of inputting signal between feedback signal, zero position orientation, and logical drive are proposed and realized.
The author schemes out the system's principle circuit, and completes the design, debug of hardware and software, test of the prototype performances. In the designation of software, the author adopts the modular designing method, and makes full use of the functions what the MCU offers, such as A/D function, interrupt function, PWM function, and software timer function. As a result, the following subroutines are programmed: A/D sample, read optic-electron coder signal, disposition of orientation interruption, Z interruption, and software timer. These designs not only simplified the program structure, but also improved real-time performance, security, and precision of the system. Moreover, the time of debug the system's software is saved. The design aim is achieved through the testing of the prototype performance.
The system is analyzed deeply in theory through discussion and simulation of the several controller design methods, including the continuous-discrete field designation, the mathematic resolution, and the fuzzy control design methods.
Eventually, the problems, solutions and the personnel experience in designing and debugging are summarized. The application prospect of the system is presented.
论文详述了系统的工作原理与控制思想，以及系统方案的设计和各组成部分的功能与实现方法。提出并实现了系统双极性输入控制信号采样、编码器反馈信号与单片机接口、输入信号与反馈信号的量纲统一化、零位定位、以及逻辑驱动等处理方法。
作者设计了电路原理图，完成了系统软硬件设计、调试，和对系统原理样机性能的测试。在控制软件的设计上，采用模块化程序设计方法，充分利用单片机内部提供的A／D功能、中断功能、PWM功能、软件定时器等功能，设计出了A／D采样子程序、读编码器信号子程序、定位中断服务子程序、Z中断服务子程序、软件定时器中断服务子程序等模块化程序。不仅使程序结构清晰，而且也提高了系统的实时性、可靠性和精度，同时节省了系统软件调试时间。样机测试结果表明系统性能达到设计指标要求。
通过对连续域—离散化设计法、解析设计法、模糊控制设计法等几种控制器设计方法的研究与软件仿真，从理论上对系统作了进一步的探索和分析。
最后，总结出作者在系统设计调试时所遇到问题、解决措施和个人心得体会，并且对本系统的应用前景及实际意义也进行了分析与展望。
A new-style missile actuator servo control system is studied in the dissertation. The system is a Digital Limited Angle Brushless DC torque motor control system with a control core of 80C196KC MCU (micro chip computer). It has the characteristic of non-gear-box, large output torque, small volume, easy control, fast response, high track precision, high reliability etc. The system has potential advantages over substituting for traditional hydraulic or pneumatic missile actuator servo control system and has wide prospect in the fields of aerial actuator, servo valve, robot, radar antenna etc.
The system's operation principle, control idea, functions and realization of each component are discussed in detail. The methods of determination bipolar inputting control signal, optic-electron coder feedback signal connecting with MCU, dimension's unity of inputting signal between feedback signal, zero position orientation, and logical drive are proposed and realized.
The author schemes out the system's principle circuit, and completes the design, debug of hardware and software, test of the prototype performances. In the designation of software, the author adopts the modular designing method, and makes full use of the functions what the MCU offers, such as A/D function, interrupt function, PWM function, and software timer function. As a result, the following subroutines are programmed: A/D sample, read optic-electron coder signal, disposition of orientation interruption, Z interruption, and software timer. These designs not only simplified the program structure, but also improved real-time performance, security, and precision of the system. Moreover, the time of debug the system's software is saved. The design aim is achieved through the testing of the prototype performance.
The system is analyzed deeply in theory through discussion and simulation of the several controller design methods, including the continuous-discrete field designation, the mathematic resolution, and the fuzzy control design methods.
Eventually, the problems, solutions and the personnel experience in designing and debugging are summarized. The application prospect of the system is presented.
引文
1．李钟明，刘卫固，稀土永磁电机，国防工业出版社，1999年7月
2．胡祜德，李向春，伺服系统设计指导，北京理工大学出版社，2000年2月第一版
3．西北工业大学稀土永磁电机及控制技术研究所，稀土永磁电机及控制系统，2000年11月
4．孙涵芳，Intel16位单片机，北京航空航天大学出版社，2001年4月
5．葛伟亮，汪渤，电磁控制元件，北京理工大学出版社，1994年3月
6．周雪琴，安锦文，计算机控制系统，西北工业大学出版社，1998年1月
7．马忠梅，籍顺心，张凯，马岩，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，1998年10月
8．王季秩，曲家骥，执行电动机，机械工业出版社，1998年6月
9．曲家骥，王季秩，伺服控制系统中的传感器，机械工业出版社，1999年2月
10．张琛，直流无刷电动机原理及应用，机械工业出版社，1996年4月
11．李序葆，赵永健，电力电子及其应用，机械工业出版社，1998年6月
12．<日>饭高成男，村野 靖，电机电器，科学出版社，2000年1月
13．<日>内山明治，泽间照一，运算放大器电路，科学出版社，2000年1月
14．王宏华，开关型磁阻电动机调速控制技术，机械工业出版社，1995年6月
15．徐承忠，王执铨，王海燕，数字伺服系统，国防工业出版社，1996年2月
16．李夙，异步电动机直接转矩控制，机械工业出版社，1999年5月
17．王晓明，电动机的单片机控制，北京航空航天大学出版社，2002年5月
18．高俊斌，MATLAB5．0语言与程序设计，华中理工大学出版社，1998年11
19．楼顺天，于卫，基于MATLAB系统分析与设计，西安电子科技大学出版社，1998年9月
20．吴德新，冯文全，单片机外围器件实用手册—电源器件分册，北京航空航
天大学出版礼，2001年7月
21．吴鹏，精确制导光电导引头稳定平台数字控制，《弹箭与制导学报》，中国兵器工业第二零三研究所，2001年第3期
22．周凤岐，陈瑜，一种新型的伺服系统—变结构谐波传动电动伺服系统，《导弹与航天运载技术》，No．2 2001，Sum No．250
23. International. Rectifier Corporation, 《POWER SEMICONDUCTION DEVICE APPLICATIONS HANDBOOK》, 1994;
24．廖育武，李永东，无刷直流电机控制系统仿真及实验研究，1997年第6期
25．赵光，陈永校，集中绕组单相电机的电磁计算，《微特电机》，2001年第1期
26．刘卫国，马瑞卿，戴冠中，稀土永磁有限转角无刷力矩电机研究，中国航空电气工程第三届学术会议(庐山)，1999年
27．宋吉江，牛轶霞，宋头春，交流力矩电机及其在电缆行业中的应用，《微特电机》，1997年第6期
28．吴汉光，洪南生，特殊函数信号位置传感器在无刷力矩电机中的应用，《微特电机》，1997年第6期
29．黄圣国，肖纪立，蔡树国，多功能智能电机保护装置研制，《电子测量与仪器学报》，1998年3月，第12卷第1期
30. David Kaiser, Fundamentals of Servo Motion Control. Motion System Design, Vol. 43 No. 10 Oct. 2001
31. E. L. Ortiz and T. J. Rivilin(Eds.), Approximation Theory and Applications. Computers & Mathematics With pplications, Vol. 41 No. 9 May. 2001
32. Joel Bordenuve-Guibe, Cyril Vaucoret, Robust Multivariable Predictive Control. Control System, Vol. 21 No. 2 Apr. 2001
33. Han-xiong Li, Shouping Guan, Hybrid Intelligent Control Strategy. Control System, Vol. 21 No. 3 Jun. 2001
34. Venkatesh G. Rao and Dennis S. Bernstein, Naive Control of the Double Integrator. Control System, Vol. 21 No. 5 Oct. 2001
35. Dr. Lawrence P. Huelsman, FILTERD-Mathcad Worksheets for Analog Filter Design. Control System, Vol. 17 No. 3 May. 2001
36. Y. W. Cho, C. W. Park, J. H. Kim and M. Park, Indirect Model Refrence Adaptive Fuzzy Control of Dynamic Fuzzy-state Space Model. Control Theory And Applications, Vol. 148 No. 4 Jul. 2001
37．梁志国，数据采集系统误差限的测量不确定度，《测量技术》，2002年第9期
38．李叶松，宋宝，秦忆，全数字交流永磁同步电机伺服系统设计，《电力电子技术》，2002年第3期
39. G. K. L. Mann, B. -G. Hu and R. G. Gosine, Time-domain Based Design and Analysis of New PID Turning Rules. Control Theory And Applications, Vol. 148 No. 3 May. 2001
40. J. Zhou and T. Hagiwara, Computing Frequency Response Gains of Linear Continuous Time. Control Theory And Applications, Vol. 148 No. 4 Mar. 2001
41. F. F Puleston, S. Spurgeon and G. Monsees, Automotive Engine Speed Control: A Robust Nonlinear Control Framework. Control Theory And Applications, Vol. 148 No. 1 Jan. 2001
42．秦忆，周永鹏等，《现代交流伺服系统》，华中理工大学出版社，1995
43．朱平平，高艳霞，周意成，无位置传感器无刷直流电机变速控制的新策略，《电力电子技术》，2002年第2期
44．麻洪儒，谭敦生，佟科，三相力矩电机闭环调速系统，《中小型电机》，2002年第5期
45．余永权，曾碧，《单片机模糊逻辑控制》，北京航空航天大学出版社，1997．7
46. Guillemin, Fuzzy Logic Applied To Motor Control, IEEE
Transactions On 1996．
47．麦俊杰，黄进，杨家强，沈伟，杨善会，模糊控制技术在电机测试系统中的应用，《中小型电机》，2002年第5期
48．贾小川，励庆孚，无刷直流电机数字仿真模型，中国电机工程学报，1996．16
49．V. V. Vadher, J. G. Kettleborough, etc. Generalized Model of Brushless DC Generator. IEEE. Trans. AES, 1989, 25(4)
50．韦彩兵，任永德，谢宝昌，无刷直流电机的无位置传感器DSP控制，《中小型电机》，2002年第3期
51．熊浩，李新华，周克定，单相永磁同步电动机的建模与仿真，《微特电机》，2002年第2期
52．宋小庆，孙得福，藏克茂，郑慕侨，朱志昆，方波无刷直流电机恒功率模糊控制，《微特电机》，2002年第1期
53．张健，张车亮，永磁同步电机数字交流伺服系统，《微特电机》，2002年第6期
54．王海峰，任章，无刷直流电动机的转矩脉动控制技术，《微特电机》，2002年第6期
2．胡祜德，李向春，伺服系统设计指导，北京理工大学出版社，2000年2月第一版
3．西北工业大学稀土永磁电机及控制技术研究所，稀土永磁电机及控制系统，2000年11月
4．孙涵芳，Intel16位单片机，北京航空航天大学出版社，2001年4月
5．葛伟亮，汪渤，电磁控制元件，北京理工大学出版社，1994年3月
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7．马忠梅，籍顺心，张凯，马岩，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，1998年10月
8．王季秩，曲家骥，执行电动机，机械工业出版社，1998年6月
9．曲家骥，王季秩，伺服控制系统中的传感器，机械工业出版社，1999年2月
10．张琛，直流无刷电动机原理及应用，机械工业出版社，1996年4月
11．李序葆，赵永健，电力电子及其应用，机械工业出版社，1998年6月
12．<日>饭高成男，村野 靖，电机电器，科学出版社，2000年1月
13．<日>内山明治，泽间照一，运算放大器电路，科学出版社，2000年1月
14．王宏华，开关型磁阻电动机调速控制技术，机械工业出版社，1995年6月
15．徐承忠，王执铨，王海燕，数字伺服系统，国防工业出版社，1996年2月
16．李夙，异步电动机直接转矩控制，机械工业出版社，1999年5月
17．王晓明，电动机的单片机控制，北京航空航天大学出版社，2002年5月
18．高俊斌，MATLAB5．0语言与程序设计，华中理工大学出版社，1998年11
19．楼顺天，于卫，基于MATLAB系统分析与设计，西安电子科技大学出版社，1998年9月
20．吴德新，冯文全，单片机外围器件实用手册—电源器件分册，北京航空航
天大学出版礼，2001年7月
21．吴鹏，精确制导光电导引头稳定平台数字控制，《弹箭与制导学报》，中国兵器工业第二零三研究所，2001年第3期
22．周凤岐，陈瑜，一种新型的伺服系统—变结构谐波传动电动伺服系统，《导弹与航天运载技术》，No．2 2001，Sum No．250
23. International. Rectifier Corporation, 《POWER SEMICONDUCTION DEVICE APPLICATIONS HANDBOOK》, 1994;
24．廖育武，李永东，无刷直流电机控制系统仿真及实验研究，1997年第6期
25．赵光，陈永校，集中绕组单相电机的电磁计算，《微特电机》，2001年第1期
26．刘卫国，马瑞卿，戴冠中，稀土永磁有限转角无刷力矩电机研究，中国航空电气工程第三届学术会议(庐山)，1999年
27．宋吉江，牛轶霞，宋头春，交流力矩电机及其在电缆行业中的应用，《微特电机》，1997年第6期
28．吴汉光，洪南生，特殊函数信号位置传感器在无刷力矩电机中的应用，《微特电机》，1997年第6期
29．黄圣国，肖纪立，蔡树国，多功能智能电机保护装置研制，《电子测量与仪器学报》，1998年3月，第12卷第1期
30. David Kaiser, Fundamentals of Servo Motion Control. Motion System Design, Vol. 43 No. 10 Oct. 2001
31. E. L. Ortiz and T. J. Rivilin(Eds.), Approximation Theory and Applications. Computers & Mathematics With pplications, Vol. 41 No. 9 May. 2001
32. Joel Bordenuve-Guibe, Cyril Vaucoret, Robust Multivariable Predictive Control. Control System, Vol. 21 No. 2 Apr. 2001
33. Han-xiong Li, Shouping Guan, Hybrid Intelligent Control Strategy. Control System, Vol. 21 No. 3 Jun. 2001
34. Venkatesh G. Rao and Dennis S. Bernstein, Naive Control of the Double Integrator. Control System, Vol. 21 No. 5 Oct. 2001
35. Dr. Lawrence P. Huelsman, FILTERD-Mathcad Worksheets for Analog Filter Design. Control System, Vol. 17 No. 3 May. 2001
36. Y. W. Cho, C. W. Park, J. H. Kim and M. Park, Indirect Model Refrence Adaptive Fuzzy Control of Dynamic Fuzzy-state Space Model. Control Theory And Applications, Vol. 148 No. 4 Jul. 2001
37．梁志国，数据采集系统误差限的测量不确定度，《测量技术》，2002年第9期
38．李叶松，宋宝，秦忆，全数字交流永磁同步电机伺服系统设计，《电力电子技术》，2002年第3期
39. G. K. L. Mann, B. -G. Hu and R. G. Gosine, Time-domain Based Design and Analysis of New PID Turning Rules. Control Theory And Applications, Vol. 148 No. 3 May. 2001
40. J. Zhou and T. Hagiwara, Computing Frequency Response Gains of Linear Continuous Time. Control Theory And Applications, Vol. 148 No. 4 Mar. 2001
41. F. F Puleston, S. Spurgeon and G. Monsees, Automotive Engine Speed Control: A Robust Nonlinear Control Framework. Control Theory And Applications, Vol. 148 No. 1 Jan. 2001
42．秦忆，周永鹏等，《现代交流伺服系统》，华中理工大学出版社，1995
43．朱平平，高艳霞，周意成，无位置传感器无刷直流电机变速控制的新策略，《电力电子技术》，2002年第2期
44．麻洪儒，谭敦生，佟科，三相力矩电机闭环调速系统，《中小型电机》，2002年第5期
45．余永权，曾碧，《单片机模糊逻辑控制》，北京航空航天大学出版社，1997．7
46. Guillemin, Fuzzy Logic Applied To Motor Control, IEEE
Transactions On 1996．
47．麦俊杰，黄进，杨家强，沈伟，杨善会，模糊控制技术在电机测试系统中的应用，《中小型电机》，2002年第5期
48．贾小川，励庆孚，无刷直流电机数字仿真模型，中国电机工程学报，1996．16
49．V. V. Vadher, J. G. Kettleborough, etc. Generalized Model of Brushless DC Generator. IEEE. Trans. AES, 1989, 25(4)
50．韦彩兵，任永德，谢宝昌，无刷直流电机的无位置传感器DSP控制，《中小型电机》，2002年第3期
51．熊浩，李新华，周克定，单相永磁同步电动机的建模与仿真，《微特电机》，2002年第2期
52．宋小庆，孙得福，藏克茂，郑慕侨，朱志昆，方波无刷直流电机恒功率模糊控制，《微特电机》，2002年第1期
53．张健，张车亮，永磁同步电机数字交流伺服系统，《微特电机》，2002年第6期
54．王海峰，任章，无刷直流电动机的转矩脉动控制技术，《微特电机》，2002年第6期