基于超声波电机的微型控制力矩陀螺框架驱动控制技术研究

摘要

超声波电机（Ultrasonic Motor，USM）是一种利用压电陶瓷的逆压电效应原理，将电能转换为动能的新型微特电机。本文采用超声波电机作为微型控制力矩陀螺(Control Moment Gyro，CMG)框架系统的驱动机构，以此为应用背景研究其驱动控制技术，主要完成了以下工作：
　　介绍了控制力矩陀螺、超声波电机及其控制技术的发展现状；分析了超声波电机的运动原理；研究了超声波电机的解析及等效电路模型，并采用阶跃响应法对超声波电机系统辨识建模，得到了超声波电机的“频率—转速”控制模型；采用最小二乘法对辨识结果进行优化处理，经验证模型阶跃响应仿真结果与实测数据吻合较好。
　　分析了超声波电机调频控制特点；研究了超声波电机在运行过程中温度升高的原理，分析由于温升引起的谐振频率漂移对电机转速造成的影响，并采用孤极电压反馈控制法，对电机的谐振频率漂移进行补偿；考虑在不同输入条件下，超声波电机模型参数会发生变化，分析了超声波电机的参量模型，采用 PID算法，设计电机转速闭环控制器。
　　采用PXI-8108嵌入式处理器和基于FPGA技术的PXI-7851R可重配置多功能数据采集卡，搭建基于PXI设备的微型CMG框架驱动控制实验平台。设计了信号前置驱动电路、推挽换能电路；通过分析，设计了超声波电机所采用的变压器和阻抗匹配电路；在此基础上，设计并研制了超声波电机驱动器。
　　基于图形化编程开发平台LabVIEW，设计了用于微型CMG框架驱动控制实验系统软件。设计了高精度PWM信号发生模块，使得PWM信号的调频精度达到0.1Hz，完全满足超声波电机调频控制的需要；通过FPGA编程设计了转速测量模块，并使用图形化编程语言，实现实验系统的控制算法；设计了超声波电机模型辨识和控制器设计仿真软件。
　　采用自主设计的超声波电机控制器以及驱动电路，开展了超声波电机模型辨识实验、电机动态响应实验、转速闭环驱动实验。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外相关研究情况综述

1.3 论文研究的主要问题和论文结构

第二章 超声波电机的运动机理和数学模型

2.1 运行机理

2.2 数学模型

2.3 模型优化

第三章 超声波电机控制方法研究

3.1 驱动特性

3.2 超声波电机转速控制

第四章 微型CMG框架驱动控制系统设计

4.1 总体方案设计

4.2 控制系统硬件平台

4.3 驱动电路设计

4.4 软件设计

第五章 微型CMG框架系统驱动实验

5.1 模型辨识实验

5.2 超声波电机动态响应

5.3 转速闭环控制实验

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果