基于線性驅(qū)動(dòng)電機(jī)的uuv舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)論文答辯基于線性驅(qū)動(dòng)電機(jī)的UUV舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名：葛薔 指導(dǎo)教師：周佳加 院 系：自動(dòng)化1234研究背景研究方案研究過程調(diào)試內(nèi)容哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯目錄水下無人航行器（UUV）屬于一種在水面（水下）執(zhí)行航行、作業(yè)任務(wù)的無人系統(tǒng)，在一定航速下利用其配置的操縱裝置（方向舵和升降舵）可實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)。相比輔助推進(jìn)器，在航速較高時(shí)利用舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)可獲得更高的操縱性，因此本課題將設(shè)計(jì)一個(gè)舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)舵面轉(zhuǎn)角的精確控制。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯研究背景哈爾濱工程大

2、學(xué)Harbin EngineeringUniversity哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity UUV研究現(xiàn)狀 舵機(jī)研究現(xiàn)狀 傳感器研究現(xiàn)狀 控制方法研究現(xiàn)狀哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯研究現(xiàn)狀1234UUV研究現(xiàn)狀美國(guó)海軍研究計(jì)劃局（ONR）和馬薩諸塞州金槍魚機(jī)器人技術(shù)公司正在聯(lián)合開發(fā)一種全新型號(hào)的UUV自主作戰(zhàn)預(yù)備式無人潛航器（BPAUV）。該AUV將鋰聚合物蓄電池作為驅(qū)動(dòng)并可通過小型船只或者潛艇進(jìn)行投放。其生產(chǎn)的Bluefin系列在可操作性、續(xù)航能力、載荷能力、靈活性、可靠性以及可重構(gòu)性和可定制性等方面均

3、有優(yōu)勢(shì)。而我國(guó)主要圍繞以中科院沈陽自動(dòng)化所為中心，并聯(lián)合哈爾濱工程大學(xué)、中科院聲學(xué)所以及中船重工集團(tuán)進(jìn)行相關(guān)研究的702所等單位共同參與到研究工作中。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯研究現(xiàn)狀舵機(jī)研究現(xiàn)狀UUV中應(yīng)用的舵機(jī)按照能源驅(qū)動(dòng)類型可被劃分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)等類型。隨著軍事、國(guó)防科技的迅猛發(fā)展以及各種新型水下裝備的研發(fā)，人們對(duì)舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)的總體要求逐漸增加，這驅(qū)使著舵機(jī)開始朝向體型縮小、重量減輕、負(fù)載能力增強(qiáng)，性能優(yōu)化等方向發(fā)展。如圖為某UUV舵機(jī)與推進(jìn)系統(tǒng)的外觀實(shí)物圖。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniv

4、ersity畢業(yè)答辯研究現(xiàn)狀傳感器研究現(xiàn)狀 目前，我國(guó)現(xiàn)代化傳感器研究產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)型產(chǎn)業(yè)向創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)過渡的重要時(shí)期。這意味著傳感器技術(shù)正沿著結(jié)構(gòu)微型化、系統(tǒng)綜合化、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用化和功能多樣化等方向進(jìn)行創(chuàng)新升級(jí)。未來傳感器技術(shù)的發(fā)展還需依靠敏感型復(fù)合材料、敏感原理、計(jì)算測(cè)量技術(shù)和工藝設(shè)備這四方面基礎(chǔ)的支撐。其開發(fā)市場(chǎng)也多依賴于自動(dòng)控制系統(tǒng)和檢測(cè)裝置的應(yīng)用，才能將其從結(jié)構(gòu)性、固體型傳感器向智能型傳感器的發(fā)展。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯研究現(xiàn)狀控制算法研究現(xiàn)狀目前自動(dòng)控制方式主要有Fuzzy模糊控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、模型預(yù)測(cè)控制、Robu

5、st控制、仿人智能控制（貝葉斯模型等）、PID控制等。其中PID控制算法應(yīng)用廣泛，如圖為PID控制算法的結(jié)構(gòu)原理圖，其主要有比例-積分-微分控制器和被控對(duì)象組成。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯研究現(xiàn)狀方案設(shè)計(jì)研究目的設(shè)計(jì)一個(gè)UUV舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)，通過驅(qū)動(dòng)線性電機(jī)(電動(dòng)推桿的行程以及速度的控制、反饋系統(tǒng))來改變UUV舵機(jī)的舵面轉(zhuǎn)角。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯方案設(shè)計(jì)哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity方案設(shè)計(jì)利用STC89C52RC單片機(jī)模擬PWM信號(hào)，經(jīng)過功率

6、放大芯片L298N驅(qū)動(dòng)線性電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再通過霍爾元件采集反饋的電壓脈沖信號(hào)反饋回單片機(jī)內(nèi)部。根據(jù)反饋信號(hào)來編寫PID程序?qū)﹄妱?dòng)推桿速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過對(duì)電動(dòng)推桿的行程及速度的調(diào)節(jié)來改變舵機(jī)的垂直舵與方向舵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度與舵機(jī)方向，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)舵面轉(zhuǎn)角的控制。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯方案設(shè)計(jì)哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯方案設(shè)計(jì)哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity控制芯片STC89C52

7、RC單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖所示最小系統(tǒng)主要包括復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。選用11.0592MHz的晶振頻率在進(jìn)行串口通信時(shí)對(duì)波特率的獲取更準(zhǔn)確。則每秒可產(chǎn)生0.9216M個(gè)機(jī)器周期。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯方案設(shè)計(jì)哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity功率放大驅(qū)動(dòng)芯片L298NP0.0管腳接ENA使能，作為PWM模擬信號(hào)的輸入端，控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。P0.1、P0.2分別接IN1、IN2作為輸出驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿。并利用對(duì)兩個(gè)管腳的高低電平置位控制正反轉(zhuǎn)。由推桿實(shí)物IN1=0;IN2=1時(shí)為電機(jī)正轉(zhuǎn)。哈爾濱工程大學(xué)Harbin E

8、ngineeringUniversity畢業(yè)答辯方案設(shè)計(jì)哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)推桿TG-300電動(dòng)推桿實(shí)物圖哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯方案設(shè)計(jì)哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，電動(dòng)推桿主要由永磁直流電機(jī)、減速齒輪、絲桿、導(dǎo)管、推桿、銅螺母、滑座、彈簧、安全開關(guān)及外殼等組成。 電動(dòng)推桿運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)減速齒輪會(huì)帶動(dòng)T型絲桿螺母進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，齒輪每轉(zhuǎn)一圈，位移傳感器即進(jìn)行一次采集反饋至單片機(jī)。哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineeri

9、ngUniversity畢業(yè)答辯方案設(shè)計(jì)哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity位置反饋元件霍爾元件A3144E 霍爾元件作為電動(dòng)推桿中的位置傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖所示。右側(cè)旋轉(zhuǎn)軸的減速齒輪上貼有小磁片，左側(cè)的霍爾元件對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化進(jìn)行感應(yīng)，每當(dāng)有磁場(chǎng)強(qiáng)度變化時(shí)就反饋一個(gè)脈沖電壓信號(hào)（即一個(gè)下降沿脈沖）。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯方案設(shè)計(jì)哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity霍爾元件測(cè)量接線圖哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯方案設(shè)計(jì)哈爾

10、濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity+3.5-+5V驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)采集研究過程 電動(dòng)推桿的速度標(biāo)定 電動(dòng)推桿標(biāo)準(zhǔn)行程為150mm，但測(cè)量得到電動(dòng)推桿實(shí)際推程為145.5 mm，整個(gè)推進(jìn)行程霍爾傳感器反饋電壓脈沖數(shù)為16次，故計(jì)算出減速齒輪每轉(zhuǎn)一圈推動(dòng)絲桿推進(jìn)約9.09mm的行程不同電壓下采集的反饋信號(hào)如圖所示，計(jì)算得出表格如下。 組號(hào)1234 電壓（V）391524 速度（mm/s)2.27 9.4716.2328.41哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯研究過程哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniver

11、sity由測(cè)定的數(shù)據(jù)和繪制的曲線可得，電動(dòng)推桿的運(yùn)行速度和所給驅(qū)動(dòng)電壓呈線性關(guān)系，即隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，電動(dòng)推桿的運(yùn)行速度越快。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯研究過程哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity推桿行程與舵面轉(zhuǎn)角關(guān)系標(biāo)定 推桿行程（mm） 舵面理論轉(zhuǎn)角（） 舵面實(shí)際轉(zhuǎn)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哈爾濱工程大學(xué)Harbin Engineer

12、ingUniversity畢業(yè)答辯研究過程哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity當(dāng)一定推桿行程長(zhǎng)度范圍內(nèi)，利用對(duì)電動(dòng)推桿行程的控制可以完成對(duì)舵面轉(zhuǎn)角的角度控制并且兩者總體呈線性關(guān)系。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯研究過程哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity霍爾元件反饋脈沖信號(hào)采集15V驅(qū)動(dòng)電壓下的霍爾元件反饋的脈沖信號(hào)哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯研究過程哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversityProte

13、us系統(tǒng)原理布線圖15V驅(qū)動(dòng)電壓下的霍爾元件反饋的脈沖信號(hào)哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯研究過程哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity由布線圖焊接系統(tǒng)實(shí)物圖哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯研究過程哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity程序總體流程圖程序初始化后進(jìn)行掃描判別偏差是否為0（程序計(jì)數(shù)霍爾傳感器反饋電壓脈沖信號(hào)為10個(gè)，對(duì)應(yīng)行程91mm左右），若不為0時(shí)再進(jìn)行形成偏差判斷，當(dāng)行程還差距較大時(shí)（霍爾反饋八次左右脈沖電壓）采用PID算

14、法2對(duì)電動(dòng)推桿進(jìn)行快速推進(jìn)；當(dāng)行程差距較小時(shí)（霍爾反饋兩次左右脈沖電壓）采用PID算法1對(duì)電動(dòng)推桿進(jìn)行減速使其逐漸達(dá)到給定行程后結(jié)束程序流程，從而完成對(duì)電動(dòng)推桿的速度控制來改變舵機(jī)轉(zhuǎn)角和方向。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯研究過程哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity調(diào)試內(nèi)容PWM信號(hào)模擬PWM信號(hào)可以利用單片機(jī)的延時(shí)程序進(jìn)行模擬產(chǎn)生，輸出至P0.0管腳（即L298N的ENA使能端口）作為功率放大驅(qū)動(dòng)芯片的輸入信號(hào)。在程序中通過改變對(duì)ENA管腳的高低電平延時(shí)時(shí)間可以改變PWM信號(hào)的占空比。測(cè)試結(jié)果：?jiǎn)纹瑱C(jī)編入50%

15、占空比PWM信號(hào)，上電后，利用萬用表測(cè)得P0.0管腳的電壓在0V、2.3V、4.6V左右的三個(gè)值連續(xù)跳變。更改占空比也獲得對(duì)應(yīng)效果，說明利用單片機(jī)可以產(chǎn)生PWM信號(hào)并且占空比是可調(diào)的。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯調(diào)試內(nèi)容哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity中斷程序問題：利用示波器檢測(cè)霍爾元件反饋信號(hào)，觀察得到霍爾元件有下降沿脈沖但是中斷程序卻未被觸發(fā)或者連續(xù)觸發(fā)。調(diào)試：1 更改中斷控制位標(biāo)志；添加手動(dòng)清除中斷控制位；更改中斷管腳2 更改霍爾元件反饋電路結(jié)構(gòu)：因反饋信號(hào)的壓降為1.7V左右，單片機(jī)中斷無法對(duì)該壓降

16、準(zhǔn)確進(jìn)行識(shí)別，故更改 反饋電路元件結(jié)構(gòu)，將信號(hào)反饋端不連接限流電阻直接反饋至中斷0.調(diào)試結(jié)果：?jiǎn)纹瑱C(jī)中斷程序正常工作并且能夠準(zhǔn)確采集霍爾元件反饋的電壓脈沖信號(hào)。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯調(diào)試內(nèi)容哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity計(jì)數(shù)程序中斷程序能正常運(yùn)行后，計(jì)數(shù)程序采集十次反饋信號(hào)如圖所示。利用蜂鳴器作為計(jì)數(shù)標(biāo)識(shí)，每計(jì)數(shù)一次，蜂鳴器電平翻轉(zhuǎn)一次，如圖中藍(lán)色信號(hào)所示，呈現(xiàn)為五次高電平，五次低電平。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯調(diào)試內(nèi)容哈爾濱工程大學(xué)Harbin

17、EngineeringUniversityPID控制對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)因電動(dòng)推桿的行程小且變速時(shí)現(xiàn)象觀察不明顯，故另接蜂鳴器，利用其蜂鳴來判斷速度變化。由程序流程圖得，采集行程對(duì)應(yīng)的霍爾元件反饋十次脈沖信號(hào)，前八次反饋中采用PID算法2（快速進(jìn)行推進(jìn)），最后兩次采用PID算法1（慢速到達(dá)給定位置）。現(xiàn)象：電動(dòng)推桿以一定速度進(jìn)行推進(jìn)，同時(shí)霍爾元件進(jìn)行中斷計(jì)數(shù)反饋，當(dāng)?shù)诎舜畏答佇盘?hào)到達(dá)時(shí)，蜂鳴器電平被翻轉(zhuǎn)兩次（蜂鳴一次），說明速度開始變慢，在第十次反饋信號(hào)到達(dá)時(shí)，蜂鳴器電平被翻轉(zhuǎn)一次（持續(xù)蜂鳴），推桿到達(dá)給定位置，從而改變舵機(jī)的舵面轉(zhuǎn)角，改變航行方向。哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯調(diào)試內(nèi)容哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversityPID控制對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity畢業(yè)答辯調(diào)試內(nèi)容哈爾濱工程大學(xué)Harbin EngineeringUniversity時(shí)間與推桿行程響應(yīng)曲線如圖所示為電動(dòng)推桿控制時(shí)間與推進(jìn)行程的響應(yīng)標(biāo)定曲線，可以看出在前段行程中電動(dòng)推桿速度較大，之后電動(dòng)推桿減小速度