基于超声电机的力矩补偿装置系统设计

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1、中图分类号：TM356论文编号：102870118-S125学科分类号：080402硕士学位论文基于超声电机的力矩补偿装置系统设计研究生姓名许文运学科、专业测试计量技术及仪器研究方向超声电机驱动与控制指导教师黄卫清教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineerDesignoftheTorqueCompensationMechani

2、smBasedonUltrasonicMotorAThesisinMeasuringandTestingTechnologiesandInstrumentsbyXuWenyunAdvisedbyProf.HuangWeiqingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和

3、致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要卫星在太空中运行时，会受到各种干扰力矩的影响，这些干扰力矩会严重影响卫星姿态，降低卫星的指向精度。为减小干扰力矩的影响，本文设计了一种力矩补偿装置来生成补偿力矩以抵消

4、干扰力矩。由于超声电机具有体积小、扭矩大、响应快、控制精度高等优点，本文尝试选取TRUM60型环形行波超声电机作为该装置的驱动源，并取得了较好的效果。本文的主要内容如下：首先，介绍了超声电机及其驱动控制技术的发展及现状，并介绍了力矩补偿装置的机械结构的设计，根据干扰力矩形式设计了转速跟踪曲线。利用系统辨识法，通过对实验数据的观察和分析，建立了在一定频率范围内的装置转速响应的近似数学模型，选取二阶传递函数为其等效模型，实测若干组特定频率下的装置转速响应曲线，从这些曲线中提取装置模型参数，进行拟合，得到了关于该装置

5、的频率-转速响应的数学模型，通过对比实验响应和仿真结果，验证了模型的可行性，为控制算法的研究提供了明确的仿真对象。其次，介绍了驱动控制电路设计，选择TMS320F2812作为主控芯片，推挽式电路作为驱动电路的拓扑结构，设计LLCC匹配电路以提高驱动电路的效率；并设计了通信电路、电流保护电路等电路。介绍了整个系统的软件设计，主要分为上位机和下位机两部分，上位机软件采用LabVIEW编写，能够自动绘制转速曲线，利用CCS开发平台编写了下位机软件，采用CPLD分频分相的方式产生驱动信号，驱动信号的最小分辨率为5Hz,

6、完全满足电机调频调速控制的需要。最后，在上述平台上研究了力矩补偿装置的转速控制特性，首先利用比例控制研究了系统的阶跃响应特性，随后利用PI控制进行正弦曲线跟踪的实验并提出了“小区间期望值恒定”的算法，接着研究了模糊PID控制算法，对该算法进行了仿真，结果表明模糊PID控制算法具有较好的控制效果。在DSP中实现了模糊PI控制算法，利用插值算法提高了控制精度。实验结果显示在整个转速范围内，速度误差能够控制在4r/min之间，取得了良好的控制效果,但是由于测速精度以及装置转速抖动的影响，所输出的力矩毛刺较为严重，经

7、中值滤波后达到较好的力矩输出效果。关键字：超声电机，力矩补偿，驱动控制器，转速跟踪，DSP本学位论文在机械结构力学及控制国家重点实验室（南航）完成，得到了中航产学研项目（CXY2013NH09）的支持。i基于超声电机的力矩补偿装置系统设计ii南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTWhenthesatelliteisrunninginspace,itwillbeaffectedbyalotoftorque,andthetorquewillseriouslyaffectthepostureandaccurac

8、yofthesatellite.Sointhispaperatorquecompensatingdeviceisdesigned,theultrasonicmotorhassmallsize,largetorque,quickresponse,andhighcontrolprecision.Therefore,thispaperselectsthetypeofthetrum-60cir