高速無人機(jī)電動舵機(jī)控制器的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、小型無人機(jī)(MUAV)，因其在軍事、救援、航拍及遙感等諸多軍民領(lǐng)域巨大的潛在應(yīng)用價值，已興起為一個熱門的研究領(lǐng)域。舵機(jī)作為小型無人機(jī)的重要組件，既是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又是無人機(jī)飛行控制回路的重要組成部分，其性能的好壞直接影響著飛行控制系統(tǒng)的性能和飛行安全。
　　 在對舵機(jī)的調(diào)速性能、控制精度、輸出力矩、體積具有特殊要求的航空航天領(lǐng)域，基于無刷直流電機(jī)(BLDCM)的電動舵機(jī)成為了未來小型無人機(jī)舵機(jī)發(fā)展的方向，它具有使用壽命長、體積小、質(zhì)

2、量輕、轉(zhuǎn)速高、可靠性高、出力大、余度控制方便等眾多優(yōu)點，目前正向超高速、高轉(zhuǎn)矩、大功率、微型化等方向發(fā)展。而目前國內(nèi)現(xiàn)有的電動舵機(jī)由于沒有采用高性能的直流無刷電機(jī)作為伺服電機(jī)，使得電動舵機(jī)的輸出力矩和轉(zhuǎn)速達(dá)不到要求；并且在實際的電動舵機(jī)控制器實施方面，目前主要停留在PID手動調(diào)參方法，并且沒有考慮到實際應(yīng)用對象的動態(tài)特性，即設(shè)計控制器時沒有考慮到電動舵機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化。因此研究基于直流無刷電機(jī)的電動舵機(jī)的動態(tài)建模與控制問題具有重要的理論

3、意義和應(yīng)用價值。
　　 本論文在借鑒前人工作的基礎(chǔ)上，首先引入了新型的大功率、高扭矩、體積小的無刷直流電機(jī)，解決了無人機(jī)對舵機(jī)力矩、速度和體積的要求；在提高舵機(jī)控制器的性能方面，提出了帶前饋的模糊自整定的PID串級控制算法，基本解決了舵機(jī)在負(fù)載力矩大范圍變化時，舵機(jī)控制器的穩(wěn)定性和控制性能嚴(yán)重下降的問題；另外，構(gòu)建了基于DSP的數(shù)字化舵機(jī)系統(tǒng)原理樣機(jī)，解決了該型無人機(jī)舵機(jī)的選型問題，具有重大的工程意義。本文的主要工作和貢獻(xiàn)如下：

4、
　　 本課題的主要工作有：根據(jù)某型無人機(jī)對舵機(jī)的性能要求，對各部分進(jìn)行選型，并推導(dǎo)出各部分的傳遞函數(shù)，從而得到舵機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并在Matlab的Simulink環(huán)境下得到舵機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型；設(shè)計了傳統(tǒng)的和帶前饋的模糊自整定的PID串級控制器，并進(jìn)行了空載和帶負(fù)載情況下的系統(tǒng)仿真，并對兩種控制器的性能進(jìn)行了對比和分析；設(shè)計了基于DSP的原理樣機(jī)的各部分硬件電路以及在CCS2000環(huán)境下開發(fā)了軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試；構(gòu)

5、建了基于虛擬儀器的測試平臺，通過原理樣機(jī)實驗，分別測試舵機(jī)在兩種控制器下的性能，從而比較分析這兩種控制器的性能好壞，從而驗證系統(tǒng)設(shè)計的正確性和可行性。
　　 本課題的創(chuàng)新性在于它的工程應(yīng)用意義和價值。一方面，將數(shù)字信號處理器和基于前饋的模糊自整定PID的控制算法應(yīng)用到無人機(jī)舵機(jī)系統(tǒng)中。DSP的應(yīng)用，使舵機(jī)系統(tǒng)便于實現(xiàn)數(shù)字化，為舵機(jī)采用新的、先進(jìn)的控制算法(如模糊控制等)，全面提高性能創(chuàng)造了條件；此外，通過分析舵面的受力，得到較精