基于DSP的导弹舵机伺服控制系统的研究
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摘要
导弹舵机是导弹飞行控制系统的执行机构，导弹的各种姿态运动都是靠舵机带动舵面偏转来实现的。
本文研究了新型全数字导弹电动舵机伺服控制系统的设计问题，该系统使用了高性能数字信号处理器(DSP)和脉宽调制(PWM)技术实现四台无刷直流电机(BLDCM)的集中控制。论文在分析了舵机系统的工作原理基础上，重点研究了BLDCM的调速方法与控制策略，对BLDCM的转矩脉动产生原因及其抑制方法也进行了详细分析与探讨，给出了单DSP控制四个相互独立工作舵机的控制算法，并提出了整个舵机位置伺服控制系统的设计方案。
其次论文在详细介绍舵机控制系统的硬件设计基础上，完成了系统软件设计，并采用了位置环、转速环和电流环的三环控制算法实现了舵机位置伺服功能，对传统PID和比例—模糊—PID控制算法在舵机控制系统中的实际应用效果进行了比较分析。
最后本文分析了影响系统性能的各种因素，并对此提出了具体的改进措施。
Missile rudders are executive bodies of missile flight control system, all kinds of attitude motion of missile are depended on the actuator driver fins of rudders.
All digital electromechanical missile actuators servo system is studied in this paper, in which the high quality Digital Signal Processor (DSP) and Pulse Width Modulation (PWM) techniques are used to realize the centralized control of four permanent magnet brushless DC motors (BLDCM). Based on analyzing the operational principles of actuators system, the control strategy and speed regulation of BLDCM are described emphatically, and the reason of its torque ripple and the way to eliminating or suppression are analyzed and illustrated, The control algorithms of single DSP to control four actuator of rudder which work independently have been studied, and the design schemes are given.
The software designs of the electrical servo system are completed using position loop, speed loop and current loop adjustment after the hardware designs are presented in details. Also the efficiency of traditional PID control in practical actuator control system is compared with that of proportional-Fuzzy-PID control.
At the end of the paper, all factors to affect system performance are analyzed, and optimization designs are presented.
本文研究了新型全数字导弹电动舵机伺服控制系统的设计问题，该系统使用了高性能数字信号处理器(DSP)和脉宽调制(PWM)技术实现四台无刷直流电机(BLDCM)的集中控制。论文在分析了舵机系统的工作原理基础上，重点研究了BLDCM的调速方法与控制策略，对BLDCM的转矩脉动产生原因及其抑制方法也进行了详细分析与探讨，给出了单DSP控制四个相互独立工作舵机的控制算法，并提出了整个舵机位置伺服控制系统的设计方案。
其次论文在详细介绍舵机控制系统的硬件设计基础上，完成了系统软件设计，并采用了位置环、转速环和电流环的三环控制算法实现了舵机位置伺服功能，对传统PID和比例—模糊—PID控制算法在舵机控制系统中的实际应用效果进行了比较分析。
最后本文分析了影响系统性能的各种因素，并对此提出了具体的改进措施。
Missile rudders are executive bodies of missile flight control system, all kinds of attitude motion of missile are depended on the actuator driver fins of rudders.
All digital electromechanical missile actuators servo system is studied in this paper, in which the high quality Digital Signal Processor (DSP) and Pulse Width Modulation (PWM) techniques are used to realize the centralized control of four permanent magnet brushless DC motors (BLDCM). Based on analyzing the operational principles of actuators system, the control strategy and speed regulation of BLDCM are described emphatically, and the reason of its torque ripple and the way to eliminating or suppression are analyzed and illustrated, The control algorithms of single DSP to control four actuator of rudder which work independently have been studied, and the design schemes are given.
The software designs of the electrical servo system are completed using position loop, speed loop and current loop adjustment after the hardware designs are presented in details. Also the efficiency of traditional PID control in practical actuator control system is compared with that of proportional-Fuzzy-PID control.
At the end of the paper, all factors to affect system performance are analyzed, and optimization designs are presented.
引文
【1】TMS320F/C240 DSP Controllers Reference Guide-Peripheral Library and Specific Device. Texas Instruments June 1999
【2】TMS320C2x/C2xx/C5x Optimizing C Compiler User's Guide. Texas Instruments August 1999
【3】TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide CPU. Texas Instruments June 1999
【4】TMS320F/C240 DSP Controllers Reference Guide, Texas Instruments Incorporated
【5】Implementation of a Speed Controlled Brushless DC Drive Using TMS320F240. Texas Instruments.July 1997
【6】Implementation of a Sensorless Speed Controlled Brushless DC Drive Using TMS320F240. Texas Instruments. November 1997
【7】Implementation of a Speed Controlled Brushless DC Drive Using TMS320F240. Texas Instruments. July 1997
【8】TMS320F/C24x DSP Controllers CPU and Instruction Set Reference Guide. Texas Instruments. 1999
【9】TMS320F/C24x DSP Controllers Peripheral Library And Specific Device. Texas Instruments. 1999
【10】Y.Murai.Torque Ripple Improvement for Brushless DC Miniature Motors [J].IEEE Trans.Ind Appl, 1989,25(3):441-450。
【11】Lajoi-Mazenc M,Nogarede B and Fagundes JC.Analysis of Torque Ripple in Electronically Commutated Permanent Magnet Machines and Minimization methods, the International Conference Electrical Machines and Drives(London),1989: 85-89。
【12】李竟，胡保生 模糊PID增益调节器的算法、结构及硬件实现．西安交通大学学报 1998．3
【13】白雷石，杨华 基于DSP的无刷直流电机控制系统．电气传动自动化
2002．4
【14】张争争，任永德，谢宝昌 基于DSP的无刷直流电机控制系统．微特电机 2001．2
【15】尹泉，余高明，万淑芸 基于DSP的永磁无刷直流伺服电机全数字控制系统．电力电子技术 2001．6
【16】章云，谢莉萍，熊红艳 DSP控制器及其应用．机械工业出版社．2001．8
【17】黄俊，王兆安 电力电子变流技术．机械工业出版社．1999．5
【18】于旭亮 一种FUZZY自调整PID调节器的应用．炼油化工自动化 1997．6
【19】戴丽萍 模糊自镇定参数PID的设计与仿真．武汉化工学院学报 2002．6
【20】况荣华，容太平 一种新型PID参数自适应模糊控制器．华中科技大学学报 2001．6
【21】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 2001．2
【22】曹云峰，翁新根，杨巧旭 一种新型电动舵机系统．南京航空航天大学学报 1996．10
【23】邓凌峰，刘丁，李琦 基于DSP的全数字直流模糊位置伺服控制系统．电气传动 2000．2
【24】任海鹏，刘丁，李琦 DSP在无刷直流电机伺服系统中的应用．微电机 2000．2
【25】曹宏伟，邓泽生，邬伟杨 DSP用于无传感器的直流无刷电机的控制．半导体技术 2001．5
【26】胡广书 数字信号处理—理论、算法与实现．清华大学出版社 2001．3
【27】王树青 先进控制技术及应用．化学工业出版社 2001．6
【28】刘和平，严利平，张学锋，卓清锋 TMS320LF240x DSP结构、原理及应用 2002．4
【29】徐德民等 鱼雷自动控制系统．西北工业大学出版社 1991．6 P149-167
【30】李钟明，刘卫国等著 稀土永磁电机．国防工业出版社 1999．7 P105-127
【31】洪南生，刘元江 永磁无刷直流电机转矩波动分析与降低方法研究．福建电力与电工 1999．7
【32】史涔，林瑞光 永磁无刷直流电机转矩脉动抑制的分析与仿真．中小型电机 2003．1
【33】张相军，陈伯时 无刷直流电机控制系统中PWM调制方式对换相转矩脉动的影响．电机与控制学报 2003．6
【34】袁宏，郭淑芬，沙茂伟 交流伺服系统的现状和发展趋势．沈阳工业大学学报 1995．6
【35】潘新民，王燕芳编著 微型计算机控制计数．高等教育出版社 2001．7
【36】罗国庆 VxWorks与嵌入式软件开发．机械工业出版社 2003．9
【37】李宏 高性能集成输出电压MOS门极驱动器—IR2130及其在电力电子技术中的应用．电气传动自动化，1994．6
【2】TMS320C2x/C2xx/C5x Optimizing C Compiler User's Guide. Texas Instruments August 1999
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【4】TMS320F/C240 DSP Controllers Reference Guide, Texas Instruments Incorporated
【5】Implementation of a Speed Controlled Brushless DC Drive Using TMS320F240. Texas Instruments.July 1997
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【21】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 2001．2
【22】曹云峰，翁新根，杨巧旭 一种新型电动舵机系统．南京航空航天大学学报 1996．10
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【34】袁宏，郭淑芬，沙茂伟 交流伺服系统的现状和发展趋势．沈阳工业大学学报 1995．6
【35】潘新民，王燕芳编著 微型计算机控制计数．高等教育出版社 2001．7
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