超低速跟踪伺服系统研究
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摘要
本文主要研究了超低速跟踪伺服系统的组成方案、伺服电机的选型设计、系统硬件控制电路设计和系统控制软件设计。在系统控制软件设计中，提出了将面向对象的方法和消息驱动机制应用于单片机系统软件的设计与开发当中的思想，并将其应用于卫星天线跟踪伺服系统的研制工作中，结合工程实践给出了具体的系统分析设计方法与步骤。
卫星天线跟踪伺服系统为超低速高精度天线指向控制系统，该系统使用稀土永磁式无刷直流力矩电机作为天线的驱动机构，为降低转矩脉动，电机采用无槽电枢结构设计，并使用正弦波驱动方式。系统的主控单元为Intel 80C196KC单片机，采用SA8282 SPWM波形发生器和19位精度的RDC轴角/数字编码器。
This thesis mainly studies the ultra-low speed tracking and servo system: system composition, servo motor design, steering control electronics, and control software design. In this thesis, the author presents a new method for developing microcontroller software: doing system analysis and design using the Object-oriented method, and designing the software structure using the Message-driven mechanism. Taking a Satellite Antenna Tracking and Servo System (SATSS) for example, the thesis gives step-by-step approach of the new software developing method.
The SATSS is an antenna pointing servo system with ultra-low speed and high accuracy, driven by a Rare Earth Permanent Magnet (REPM) brushless DC torque motor. To reduce torque ripple, the REPM brushless DC torque motor has a slotless armature, and uses sinusoidal wave driven technology. The steering control electronics of the SATSS uses an 80C196KC microcontroller, a SA8282 SPWM generator, and a 19-bit resolver digital converter (RDC).
卫星天线跟踪伺服系统为超低速高精度天线指向控制系统，该系统使用稀土永磁式无刷直流力矩电机作为天线的驱动机构，为降低转矩脉动，电机采用无槽电枢结构设计，并使用正弦波驱动方式。系统的主控单元为Intel 80C196KC单片机，采用SA8282 SPWM波形发生器和19位精度的RDC轴角/数字编码器。
This thesis mainly studies the ultra-low speed tracking and servo system: system composition, servo motor design, steering control electronics, and control software design. In this thesis, the author presents a new method for developing microcontroller software: doing system analysis and design using the Object-oriented method, and designing the software structure using the Message-driven mechanism. Taking a Satellite Antenna Tracking and Servo System (SATSS) for example, the thesis gives step-by-step approach of the new software developing method.
The SATSS is an antenna pointing servo system with ultra-low speed and high accuracy, driven by a Rare Earth Permanent Magnet (REPM) brushless DC torque motor. To reduce torque ripple, the REPM brushless DC torque motor has a slotless armature, and uses sinusoidal wave driven technology. The steering control electronics of the SATSS uses an 80C196KC microcontroller, a SA8282 SPWM generator, and a 19-bit resolver digital converter (RDC).
引文
1．李钟明，刘卫国，稀土永磁电机，国防工业出版社，1999年7月
2．唐任远，现代永磁电机理论与设计，机械工业出版社，1997年
3．胡祜德，马东升，张莉松，伺服系统原理与设计(修订版)，北京理工大学出版社，1999年7月第二版
4．金裕，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
5．李仁定，电机的微机控制，机械工业出版社，1999年10月第一版
6．张云生，实时控制系统软件设计原理及应用，国防工业出版社，1998年12月第一版
7．孙涵芳，MCS-51/96 系列单片机原理及应用，北京航空航天大学出版社，1996
8．孙涵芳，Intel 16位单片机，北京航空航天大学出版社，1995年11月
9．李华，MCS-51系列单片机实用接口技术，北京航空航天大学出版社，1993
10．房小翠，王金凤，单片机实用系统设计技术，国防工业出版社，1999年6月第一版
11. G. Booch, Object-Oriented Analysis and Design with Applications, Second Edition, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., 1994.
12. James Martin, James J. Odell. Object-Oriented Analysis and Design. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ., 1992
13. Peter Coad and Edward Yourdon. Object-Oriented Analysis. 2nd ed. Yourdon Press/Prentice Hall, 1990
14. Shari Lawrence Pfleeger, Software Engineering: Theory and Practice, 2nd edition, 高等教育出版社, Pearson Education 出版集团, 2001年8月影印
15．陈有祺，软件工程引论，第二版，南开大学出版社，2000年11月
16．徐瑞鑫，朱成禹，软件过程新途径——面向对象方法学，光学精密工程，2000年12月，第8卷第6期
17．刘书明，冯小平，数据采集系统芯片ADuC812原理与应用，西安电子科技
大学出版社，2000年12月第一版
18. James Andrus and Ed Korzeniowski, Modular Antenna Pointing System for the Explorer Platform Satellite, Honeywell Inc., Satellite Systems Operation, Presented at the 26th Aerospace Mechanisms Symposium, May 13,1992
19. D. Bapna, E. Rollins, A. Foessel and W. Whittaker, Antenna Pointing for High Bandwidth Communications from Mobile Robots, Proceedings IEEE Conference on Robotics and Automation, (ICRA'98), Leuven, Belgium, 1998. http://www.cs.cmu.edu/～afoessel/publications/antenna_pointing.icra1998.pdf.
20. Z. Y. Yi and P. T. Mathiopoulos, Antenna Pointing in LEO/MEO Satellite Systems for Mobile Applications, 5th European Conference in Satellite Communications, November, 1999.
21. 8XC196Kx 8XC196Jx 87C196CA Microcontroller User's Manual, Intel Corporation
22．程煜明，张炎华，莫友声，用户星天线指向控制设计初探，《上海航天》1998年第2期
23．卢飞星，亓迎川等，模块化雷达天线控制系统的设计，《空军雷达学院学报》2001年第1期
24．邢福成，欧阳文，某雷达天线俯仰控制及威力显示系统的软件设计，《火控雷达技术》2001年第1期
25．林建安，匡光力，刘岳修，HT—7低杂波天线精确定位系统，《仪表技术与传感器》2001年第2期
26．孙保良，张福宝等，单片机在雷达距离自动跟踪系统中的应用，《飞航导弹》2000年第6期
27．郭光明，崔松菲，全数字伺服系统的设计，《电子与自动化》1998年第6期
28. H. Asada and K. Youcef-Toumi, Development of a Direct-drive Arm using High Torque Brushless Motors, Robotics Research. Cambridge, MA., MIT Press, pp. 583-599, 1984.
29. N. Nakano and S. Hara, Microprocessor-based Control Systems, D. Reidel Publishing Company, Amsterdam, The Netherlands, 1986
30．薛迎成，潘俊民，潘志扬，基于DSP永磁无刷直流电动机位置伺服系统，《电力电子技术》2001年第2期
31．尹翔陵，王爱祥，直流力矩电机在精密跟踪雷达中的应用，《电子工程师》2001年第1期
32．张万峰，阮立飞等，无刷直流电动机伺服系统结构设计及动态特性分析，《微特电机》1998年第6期
33．孙明迪，陈天才，张航挺，单片机控制无刷直流电动机速度伺服系统，《北京航空航天大学学报》1997年第4期
34．洪南生，吴汉光，永磁无刷直流电机控制系统，《微特电机》1997年第1期
35．金艳艳，模块化轴角/数字转换器的选用及系统设计中的有关问题，《雷达与对抗》1998年第4期
36．肖本贤，陈荣保等，步进电机微步驱动技术研究，《自动化与仪表》1997年第5期
37．马东斌，韩亮，基于单片机的步进电机控制系统，《电子与自动化》1998年第1期
38．官波，容太平，AT89C51的扩展串口与PC机间的通讯，《国外电子元器件》2001年第3期
39．曲东才，刘持胜等，通用微型机与MCS-51系列单片机的数据通讯技术，《微计算机信息》1998年第3期
40．黄克强，方志宏等，基于 Windows 环境的计算机与单片机系统间的串行通讯，《机电工程》1998年第2期
41．匡万，毛幼菊，单片机与PC机串行通信的研究，《微计算机信息》1998年第4期
42．易英欣，MCS-51系列单片机主动抗干扰技术，《信息技术》2001年第2期
43．韩炬，柯进等，单片机抗干扰新方法，《微计算机信息》1998年第5期
44．叶念渝，何兆湘，一种单片机电源监测和看门狗保护电路及方法，《仪表技术与传感器》1998年第7期
45．蒋维玉，用单片机的串行口实现异步双机通信，《实验室研究与探索》2001
年第3期
46．余进，黄继武，多任务机制在单片机系统中的应用，电子技术应用，1999年第3期
47．张波，黄继武，消息驱动思想在单片机定时体系中的应用，《武汉大学学报(自然科学版)》1998年第1期
48．吴小滔，朱建元，单片机项目面向对象的系统原型的建立，数据采集与处理，第13卷第4期，1998年12月
49．薛天宇，一种实时多任务系统软件没计方法，《电子技术应用》2001年第4期
50．吴健军，陈一光，微机保护中的单片机实时多任务编程，《电子与自动化》1998年第2期
2．唐任远，现代永磁电机理论与设计，机械工业出版社，1997年
3．胡祜德，马东升，张莉松，伺服系统原理与设计(修订版)，北京理工大学出版社，1999年7月第二版
4．金裕，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
5．李仁定，电机的微机控制，机械工业出版社，1999年10月第一版
6．张云生，实时控制系统软件设计原理及应用，国防工业出版社，1998年12月第一版
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8．孙涵芳，Intel 16位单片机，北京航空航天大学出版社，1995年11月
9．李华，MCS-51系列单片机实用接口技术，北京航空航天大学出版社，1993
10．房小翠，王金凤，单片机实用系统设计技术，国防工业出版社，1999年6月第一版
11. G. Booch, Object-Oriented Analysis and Design with Applications, Second Edition, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., 1994.
12. James Martin, James J. Odell. Object-Oriented Analysis and Design. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ., 1992
13. Peter Coad and Edward Yourdon. Object-Oriented Analysis. 2nd ed. Yourdon Press/Prentice Hall, 1990
14. Shari Lawrence Pfleeger, Software Engineering: Theory and Practice, 2nd edition, 高等教育出版社, Pearson Education 出版集团, 2001年8月影印
15．陈有祺，软件工程引论，第二版，南开大学出版社，2000年11月
16．徐瑞鑫，朱成禹，软件过程新途径——面向对象方法学，光学精密工程，2000年12月，第8卷第6期
17．刘书明，冯小平，数据采集系统芯片ADuC812原理与应用，西安电子科技
大学出版社，2000年12月第一版
18. James Andrus and Ed Korzeniowski, Modular Antenna Pointing System for the Explorer Platform Satellite, Honeywell Inc., Satellite Systems Operation, Presented at the 26th Aerospace Mechanisms Symposium, May 13,1992
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20. Z. Y. Yi and P. T. Mathiopoulos, Antenna Pointing in LEO/MEO Satellite Systems for Mobile Applications, 5th European Conference in Satellite Communications, November, 1999.
21. 8XC196Kx 8XC196Jx 87C196CA Microcontroller User's Manual, Intel Corporation
22．程煜明，张炎华，莫友声，用户星天线指向控制设计初探，《上海航天》1998年第2期
23．卢飞星，亓迎川等，模块化雷达天线控制系统的设计，《空军雷达学院学报》2001年第1期
24．邢福成，欧阳文，某雷达天线俯仰控制及威力显示系统的软件设计，《火控雷达技术》2001年第1期
25．林建安，匡光力，刘岳修，HT—7低杂波天线精确定位系统，《仪表技术与传感器》2001年第2期
26．孙保良，张福宝等，单片机在雷达距离自动跟踪系统中的应用，《飞航导弹》2000年第6期
27．郭光明，崔松菲，全数字伺服系统的设计，《电子与自动化》1998年第6期
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29. N. Nakano and S. Hara, Microprocessor-based Control Systems, D. Reidel Publishing Company, Amsterdam, The Netherlands, 1986
30．薛迎成，潘俊民，潘志扬，基于DSP永磁无刷直流电动机位置伺服系统，《电力电子技术》2001年第2期
31．尹翔陵，王爱祥，直流力矩电机在精密跟踪雷达中的应用，《电子工程师》2001年第1期
32．张万峰，阮立飞等，无刷直流电动机伺服系统结构设计及动态特性分析，《微特电机》1998年第6期
33．孙明迪，陈天才，张航挺，单片机控制无刷直流电动机速度伺服系统，《北京航空航天大学学报》1997年第4期
34．洪南生，吴汉光，永磁无刷直流电机控制系统，《微特电机》1997年第1期
35．金艳艳，模块化轴角/数字转换器的选用及系统设计中的有关问题，《雷达与对抗》1998年第4期
36．肖本贤，陈荣保等，步进电机微步驱动技术研究，《自动化与仪表》1997年第5期
37．马东斌，韩亮，基于单片机的步进电机控制系统，《电子与自动化》1998年第1期
38．官波，容太平，AT89C51的扩展串口与PC机间的通讯，《国外电子元器件》2001年第3期
39．曲东才，刘持胜等，通用微型机与MCS-51系列单片机的数据通讯技术，《微计算机信息》1998年第3期
40．黄克强，方志宏等，基于 Windows 环境的计算机与单片机系统间的串行通讯，《机电工程》1998年第2期
41．匡万，毛幼菊，单片机与PC机串行通信的研究，《微计算机信息》1998年第4期
42．易英欣，MCS-51系列单片机主动抗干扰技术，《信息技术》2001年第2期
43．韩炬，柯进等，单片机抗干扰新方法，《微计算机信息》1998年第5期
44．叶念渝，何兆湘，一种单片机电源监测和看门狗保护电路及方法，《仪表技术与传感器》1998年第7期
45．蒋维玉，用单片机的串行口实现异步双机通信，《实验室研究与探索》2001
年第3期
46．余进，黄继武，多任务机制在单片机系统中的应用，电子技术应用，1999年第3期
47．张波，黄继武，消息驱动思想在单片机定时体系中的应用，《武汉大学学报(自然科学版)》1998年第1期
48．吴小滔，朱建元，单片机项目面向对象的系统原型的建立，数据采集与处理，第13卷第4期，1998年12月
49．薛天宇，一种实时多任务系统软件没计方法，《电子技术应用》2001年第4期
50．吴健军，陈一光，微机保护中的单片机实时多任务编程，《电子与自动化》1998年第2期