基于超声电机的航天器高精密扫描驱动控制技术研究

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1、学校代码：10264研究生学号：M150602722上海海洋大学硕士学位论文基于超声电机的航天器高精密扫题目：描驱动控制技术研究ResearchonHighPrecisionScanningDriveControl英文题目：TechnologyofSpacecraftbasedonUltrasonicMotor专业：机械工程研究方向：机电一体化姓名：薛久明指导教师：王世明、李永国二O一八年五月二十二日上海海洋大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不

2、包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日上海海洋大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海海洋大学可以将本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和汇编本学位论文。保密□本学位论文属于，在年解密后适用本版权书。不保密□学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日上海海洋大

3、学硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名工作单位职称备注主席委员委员委员委员委员委员秘书答辩地点答辩日期上海海洋大学硕士学位论文基于超声电机的航天器高精密扫描驱动控制技术研究摘要卫星扫描驱动控制系统是卫星载荷的重要组成部分，直接关系到整个卫星系统的性能好坏。随着国民经济的发展，军民领域应用需求的增加，以微波载荷为代表的航天器载荷对卫星上扫描驱动机构的重量、指向精度、速度稳定度等性能指标提出了更高的要求。传统的扫描驱动机构是电磁电机驱动的，存在体积大、重量重，响应慢等问题，并且都需要齿轮等传动装置，而引入齿轮传动就会带来齿轮间隙、回程误差及抖动等问题，影响扫描机构运动的性能，在精度上无法满

4、足新一代高分卫星载荷对扫描驱动机构的要求。由于超声电机具有可直接驱动及断电自锁的特性，可以省去减速、传动、自锁装置，大大简化了扫描驱动机构的设计，使整个机构更加简单紧凑，有助于实现轻量化；同时超声电机具有转速低、位置分辨率高、不受电磁场干扰等特点，使得超声电机是轻量化、低转速、高精度的扫描驱动机构的理想驱动器。因此，本研究在调研国内外扫描驱动机构驱动形式的基础上，针对微波载荷扫描驱动技术的需求，提出以超声电机作为驱动器来设计出一种结构轻量化、高精度、高速度稳定度的扫描驱动机构。本文以旋转行波型超声电机为驱动部件，设计了一款扫描驱动机构，重量为2.35kg，仅为步进加谐波减速器方案重量

5、的15%。通过确定超声电机驱动的扫描机构总体结构方案，针对主要部件如驱动电机、闭环控制测角单元进行合理的选取与设计；采用轴套连接的传动方式，通过对轴套适度修配以保证电机轴线与主轴的同轴度，并且能够保证电机轴向具有一定的自由度；合理选取校核轴承、轴系等零件，使得整体机构结构紧凑、体积轻巧，满足扫描驱动机构的轻量化、快响应设计要求。为了实现对扫描驱动机构运动控制方法的研究，测试其指向精度及速度稳定度，以21位绝对式光电编码器作为位置反馈传感器，构建了整个精密驱动控制系统，并从软硬件两方面进行了详细设计。在硬件设计部分，对驱动控制系统的外围电路（供电线路和通信电路）以及主体电路（超声电机驱

6、动控制电路）进行了详细的设计。以PSoC5LP为主控制器设计了超声电机驱动控制电路，并对其组成模块：信号发生电路、推挽升压电路（推挽功率级和升压变压器）、电感匹配电I上海海洋大学硕士学位论文路及反馈模块分别进行详细的设计。极大地缩小了驱动控制器的体积,对整个扫描驱动控制系统的轻量化实现有着重要的意义。采用两级控制的新型控制方案，实现了对超声电机控制信号幅度和相位的独立分级控制，简化了控制方案以及调试流程，提升了系统性能。在系统的软件设计部分，介绍了系统的整体流程，利用PSoCCreator集成开发环境对各模块进行了初始化，完成了电机的启停、正反转设计，PC机作为上位机实现了串行通讯、

7、光电编码器数据收发的功能。提高稳态指向精度和速度稳定度是整个扫描驱动控制系统要重点解决的问题。针对这一问题，本文对超声电机的控制策略进行了对比研究与实验。利用VC#设计了多功能的上位机操作界面，实现了同步显示和保存扫描驱动机构运动位置与转度值的功能。在分析对比固定增益的PID控制、模糊控制、神经网络PID控制等常用方法的基础上，针对超声电机在控制过程中表现出的非线性和时变性特性，提出一种基于专家规则的变结构增量式PID控制算法，克服了常规的模拟PID调节器