基于FPGA的电动舵机控制器设计

论文摘要

电动舵机系统作为火箭弹控制系统的执行机构，接受弹载计算机的控制信号，经功率放大控制舵面偏转，从而调整火箭弹的飞行姿态，其性能的优劣直接影响飞行试验的成败。电动舵机系统主要由电动舵机、控制器、放大器和控制电缆组成。目前众多型号的电动舵机系统，其控制器采用模拟控制方式。模拟控制方式虽然有控制平滑的优点，但同时也有集成度低、体积大、抗干扰能力弱、产品升级困难、限制新控制方法的采用，以及电子电路器件性能参数的变化对系统性能指标影响很大等缺点。随着总体系统对电动舵机控制器体积小、质量小、可靠性高、特性稳定的要求越来越高，传统的电动舵机控制器已不能完全满足需求。本文旨在按上级系统的需求，运用现场可编程门阵列（FPGA）的快速数据处理能力及其丰富的内部配置和外部接口方面的优点，设计以FPGA为主控芯片的电动舵机控制器，实现单枚FPGA芯片同时控制四台电动舵机的目的。设计了控制器的硬件电路，包括控制器与弹载计算机之间的数字通信接口、在线调试接口、信号采集电路、驱动电路等。针对现有电动舵机的结构和上级系统对舵机系统的指标要求，进行了控制器的整体方案设计。设计了基于FPGA的PID控制器，引入现代控制理论设计了多种PID调节算法，通过试验选取确定最优的调节算法。设计了FPGA控制程序，通过数字滤波算法，真实还原各控制量，达到精确控制。研制了试验平台，分别对控制器的软件和硬件进行调试，通过软硬件相结合对整个控制器进行了调试和试验，使控制器达到设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 制导火箭弹舵机系统的作用
• 1.2 制导火箭弹舵机系统的研究现状
• 1.3 电动舵机控制器的发展现状
• 1.4 课题的来源
• 1.5 课题的主要内容
• 第2章 舵机控制器方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 电动舵系统的结构和工作原理
• 2.2.1 舵机系统的组成
• 2.2.2 电动舵机用电机类型
• 2.2.3 永磁无刷直流伺服电机的组成
• 2.2.4 无刷直流电机的工作原理
• 2.2.5 无刷直流电机的数学模型
• 2.3 控制器总体方案设计
• 2.3.1 控制器硬件平台选择
• 2.3.2 电动舵机系统的控制算法选择
• 2.4 本章小结
• 第3章 舵机控制器硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 硬件电路设计
• 3.2.1 FPGA 芯片选择及外围电路
• 3.2.2 模拟信号采集电路
• 3.2.3 无刷直流电机驱动电路
• 3.2.4 数字通信接口
• 3.2.5 电源设计
• 3.3 电磁兼容性设计
• 3.3.1 系统电磁兼容要求分析
• 3.3.2 舵机控制器的电磁兼容设计
• 3.3.3 舵系统的电磁兼容性能验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 电动舵机控制器算法分析和软件设计
• 4.1 引言
• 4.2 模糊自适应整定 PID 算法分析
• 4.2.1 Matlab 仿真软件简介
• 4.2.2 系统仿真模型建立
• 4.2.3 系统仿真结果及分析
• 4.3 基于 FPGA 的控制软件设计
• 4.3.1 A/D 采样电路
• 4.3.2 参数调整模块
• 4.3.3 数字通信模块
• 4.3.4 内存定义
• 4.3.5 永磁无刷直流伺服电机控制程序
• 4.4 本章小结
• 第5章 电动舵机控制器试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 测试模块设计
• 5.2.1 额定转速测试模块
• 5.2.2 时域测试模块
• 5.2.3 频率性能测试模块
• 5.2.4 测试项目舵控数据输出模块
• 5.2.5 测试状态舵机反馈数据输出模块
• 5.3 舵机系统试验及数据分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录Ⅰ 模糊自适应程序
• 附录Ⅱ 速度测试程序
• 附录Ⅲ 时域测试程序
• 附录Ⅳ 频域测试程序
• 致谢
• 个人简历