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全闭环电动舵机及其特性的研究

石海  
【摘要】:当今时代,随着制导武器向着小型化、高精度、高响应的方向迅猛发展,电动舵机作为指导武器关键执行部件,它的性能优劣将直接影响着飞航导弹整体的性能,决定着飞航导弹的命中率。本文借助实验室与航天院所的合作项目,开展对全闭环电动舵机的研究,针对国内普遍采用低性能直流电机驱动的电动舵机,研制一套采用永磁同步电机驱动的小型、高效、高响应的全闭环电动导弹舵机交流伺服控制系统。交流永磁同步电机不论是体积、重量上还是效率、功率密度上都要优于直流电机,因此,采用交流永磁同步电机作为电动舵机的动力源是未来高效能、全电动舵机的重要发展趋势。根据电动舵机相关技术指标要求,确定出舵机总体结构方案,根据总体方案对电动舵机各组成环节进行详细设计与优化。舵机动力源采用表贴式永磁同步电机,利用电磁仿真软件JMAG-Designer多次计算优化确定出表贴式永磁同步电机的各尺寸参数,如槽极数、气隙、定子内外径等。由于舵机最终输出的力矩较大,不能设计成直驱式,故还要设计出小体积、高效率的减速传动机构,利用此减速机构配合永磁同步电机输出舵机要求的力矩与转速。为满足舵机控制需要,还需设计电机转子和舵面位置检测用磁电编码器,对电机转子位置和舵面位置检测的准确程度直接影响着整个全闭环电动舵机的控制精度。电动舵机作为一个位置随动控制系统,为实现其高精度控制,还需对舵机制器进行详细研制,包括控制器硬件设计和软件算法编制。对于舵机控制器硬件方面,要合理利用弹上电源设计出控制器供电电路;为实现表贴式永磁同步电机的控制和驱动,需设计电机三相电流反馈检测电路、磁电编码器通讯电路以及控制PWM信号的功率放大电路;为实现电动舵机与弹上上位机的时时可靠通讯,还需设计高效的通讯电路。舵机控制策略选用成熟可靠的位置-速度-电流三闭环PID控制算法。为避免设计中隐藏的疏漏,通过建立全闭环电动舵机的整体数学模型,利用MATLAB软件中的Simulink模块对其进行指令跟踪响应仿真分析。此外,本文还搭建了全电动舵机等效半实物实验平台,通过仿真和等效实验,对全电动舵系统进行相关研究,为后续全电动舵机实物平台研究打下坚实基础。


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