基于线性驱动电机的uuv舵机伺服控制系统设计

1、本科毕业论文答辩基于线性驱动电机的UUV舵机伺服控制系统设计 姓 名：葛蔷 指导教师：周佳加 院 系：自动化1234研究背景研究方案研究过程调试内容哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩目录水下无人航行器（UUV）属于一种在水面（水下）执行航行、作业任务的无人系统，在一定航速下利用其配置的操纵装置（方向舵和升降舵）可实现空间运动。相比辅助推进器，在航速较高时利用舵机伺服控制系统可获得更高的操纵性，因此本课题将设计一个舵机伺服控制系统以实现舵面转角的精确控制。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩研究背景哈尔滨工程大

2、学Harbin EngineeringUniversity哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity UUV研究现状 舵机研究现状 传感器研究现状 控制方法研究现状哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩研究现状1234UUV研究现状美国海军研究计划局（ONR）和马萨诸塞州金枪鱼机器人技术公司正在联合开发一种全新型号的UUV自主作战预备式无人潜航器（BPAUV）。该AUV将锂聚合物蓄电池作为驱动并可通过小型船只或者潜艇进行投放。其生产的Bluefin系列在可操作性、续航能力、载荷能力、灵活性、可靠性以及可重构性和可定制性等方面均

3、有优势。而我国主要围绕以中科院沈阳自动化所为中心，并联合哈尔滨工程大学、中科院声学所以及中船重工集团进行相关研究的702所等单位共同参与到研究工作中。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩研究现状舵机研究现状UUV中应用的舵机按照能源驱动类型可被划分为液压驱动、气动驱动、电动驱动等类型。随着军事、国防科技的迅猛发展以及各种新型水下装备的研发，人们对舵机伺服控制系统的总体要求逐渐增加，这驱使着舵机开始朝向体型缩小、重量减轻、负载能力增强，性能优化等方向发展。如图为某UUV舵机与推进系统的外观实物图。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniv

4、ersity毕业答辩研究现状传感器研究现状 目前，我国现代化传感器研究产业正在经历从传统型产业向创新型产业过渡的重要时期。这意味着传感器技术正沿着结构微型化、系统综合化、网络应用化和功能多样化等方向进行创新升级。未来传感器技术的发展还需依靠敏感型复合材料、敏感原理、计算测量技术和工艺设备这四方面基础的支撑。其开发市场也多依赖于自动控制系统和检测装置的应用，才能将其从结构性、固体型传感器向智能型传感器的发展。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩研究现状控制算法研究现状目前自动控制方式主要有Fuzzy模糊控制、非线性控制、自适应控制、模型预测控制、Robu

5、st控制、仿人智能控制（贝叶斯模型等）、PID控制等。其中PID控制算法应用广泛，如图为PID控制算法的结构原理图，其主要有比例-积分-微分控制器和被控对象组成。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩研究现状方案设计研究目的设计一个UUV舵机伺服控制系统，通过驱动线性电机(电动推杆的行程以及速度的控制、反馈系统)来改变UUV舵机的舵面转角。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩方案设计哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity方案设计利用STC89C52RC单片机模拟PWM信号，经过功率

6、放大芯片L298N驱动线性电机运转，再通过霍尔元件采集反馈的电压脉冲信号反馈回单片机内部。根据反馈信号来编写PID程序对电动推杆速度进行调节，通过对电动推杆的行程及速度的调节来改变舵机的垂直舵与方向舵的运转速度与舵机方向，从而实现对舵面转角的控制。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩方案设计哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity系统总体结构框图哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩方案设计哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity控制芯片STC89C52

7、RC单片机最小系统如图所示最小系统主要包括复位电路和时钟电路。选用11.0592MHz的晶振频率在进行串口通信时对波特率的获取更准确。则每秒可产生0.9216M个机器周期。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩方案设计哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity功率放大驱动芯片L298NP0.0管脚接ENA使能，作为PWM模拟信号的输入端，控制电机停转。P0.1、P0.2分别接IN1、IN2作为输出驱动电动推杆。并利用对两个管脚的高低电平置位控制正反转。由推杆实物IN1=0;IN2=1时为电机正转。哈尔滨工程大学Harbin E

8、ngineeringUniversity毕业答辩方案设计哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity执行机构电动推杆TG-300电动推杆实物图哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩方案设计哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity其内部结构如图所示，电动推杆主要由永磁直流电机、减速齿轮、丝杆、导管、推杆、铜螺母、滑座、弹簧、安全开关及外壳等组成。 电动推杆运转时减速齿轮会带动T型丝杆螺母进行直线往复运动，齿轮每转一圈，位移传感器即进行一次采集反馈至单片机。哈尔滨工程大学Harbin Engineeri

9、ngUniversity毕业答辩方案设计哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity位置反馈元件霍尔元件A3144E 霍尔元件作为电动推杆中的位置传感器的结构图如图所示。右侧旋转轴的减速齿轮上贴有小磁片，左侧的霍尔元件对磁感应强度的变化进行感应，每当有磁场强度变化时就反馈一个脉冲电压信号（即一个下降沿脉冲）。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩方案设计哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity霍尔元件测量接线图哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩方案设计哈尔

10、滨工程大学Harbin EngineeringUniversity+3.5-+5V驱动电压信号采集研究过程 电动推杆的速度标定 电动推杆标准行程为150mm，但测量得到电动推杆实际推程为145.5 mm，整个推进行程霍尔传感器反馈电压脉冲数为16次，故计算出减速齿轮每转一圈推动丝杆推进约9.09mm的行程不同电压下采集的反馈信号如图所示，计算得出表格如下。 组号1234 电压（V）391524 速度（mm/s)2.27 9.4716.2328.41哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩研究过程哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniver

11、sity由测定的数据和绘制的曲线可得，电动推杆的运行速度和所给驱动电压呈线性关系，即随着驱动电压的增大，电动推杆的运行速度越快。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩研究过程哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity推杆行程与舵面转角关系标定 推杆行程（mm） 舵面理论转角（） 舵面实际转角()0-17.5-17.522.5-12.5-12.443.6-7.5-7.063.8-2.5-2.183.32.53.0102.67.58.2121.812.513.5141.417.518.4哈尔滨工程大学Harbin Engineer

12、ingUniversity毕业答辩研究过程哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity当一定推杆行程长度范围内，利用对电动推杆行程的控制可以完成对舵面转角的角度控制并且两者总体呈线性关系。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩研究过程哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity霍尔元件反馈脉冲信号采集15V驱动电压下的霍尔元件反馈的脉冲信号哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩研究过程哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversityProte

13、us系统原理布线图15V驱动电压下的霍尔元件反馈的脉冲信号哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩研究过程哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity由布线图焊接系统实物图哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩研究过程哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity程序总体流程图程序初始化后进行扫描判别偏差是否为0（程序计数霍尔传感器反馈电压脉冲信号为10个，对应行程91mm左右），若不为0时再进行形成偏差判断，当行程还差距较大时（霍尔反馈八次左右脉冲电压）采用PID算

14、法2对电动推杆进行快速推进；当行程差距较小时（霍尔反馈两次左右脉冲电压）采用PID算法1对电动推杆进行减速使其逐渐达到给定行程后结束程序流程，从而完成对电动推杆的速度控制来改变舵机转角和方向。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩研究过程哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity调试内容PWM信号模拟PWM信号可以利用单片机的延时程序进行模拟产生，输出至P0.0管脚（即L298N的ENA使能端口）作为功率放大驱动芯片的输入信号。在程序中通过改变对ENA管脚的高低电平延时时间可以改变PWM信号的占空比。测试结果：单片机编入50%

15、占空比PWM信号，上电后，利用万用表测得P0.0管脚的电压在0V、2.3V、4.6V左右的三个值连续跳变。更改占空比也获得对应效果，说明利用单片机可以产生PWM信号并且占空比是可调的。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩调试内容哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity中断程序问题：利用示波器检测霍尔元件反馈信号，观察得到霍尔元件有下降沿脉冲但是中断程序却未被触发或者连续触发。调试：1 更改中断控制位标志；添加手动清除中断控制位；更改中断管脚2 更改霍尔元件反馈电路结构：因反馈信号的压降为1.7V左右，单片机中断无法对该压降

16、准确进行识别，故更改 反馈电路元件结构，将信号反馈端不连接限流电阻直接反馈至中断0.调试结果：单片机中断程序正常工作并且能够准确采集霍尔元件反馈的电压脉冲信号。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩调试内容哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity计数程序中断程序能正常运行后，计数程序采集十次反馈信号如图所示。利用蜂鸣器作为计数标识，每计数一次，蜂鸣器电平翻转一次，如图中蓝色信号所示，呈现为五次高电平，五次低电平。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩调试内容哈尔滨工程大学Harbin

17、EngineeringUniversityPID控制对速度进行调节因电动推杆的行程小且变速时现象观察不明显，故另接蜂鸣器，利用其蜂鸣来判断速度变化。由程序流程图得，采集行程对应的霍尔元件反馈十次脉冲信号，前八次反馈中采用PID算法2（快速进行推进），最后两次采用PID算法1（慢速到达给定位置）。现象：电动推杆以一定速度进行推进，同时霍尔元件进行中断计数反馈，当第八次反馈信号到达时，蜂鸣器电平被翻转两次（蜂鸣一次），说明速度开始变慢，在第十次反馈信号到达时，蜂鸣器电平被翻转一次（持续蜂鸣），推杆到达给定位置，从而改变舵机的舵面转角，改变航行方向。哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩调试内容哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversityPID控制对速度进行调节哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity毕业答辩调试内容哈尔滨工程大学Harbin EngineeringUniversity时间与推杆行程响应曲线如图所示为电动推杆控制时间与推进行程的响应标定曲线，可以看出在前段行程中电动推杆速度较大，之后电动推杆减小速度