（机械电子工程专业论文）全方向推进器水动力试验平台控制系统设计及实验研究.pdf

哈尔滨。j 程大学硕十学位论文 摘要 潜器是海洋开发与研究的重要工具之一，它的发展要求本身更加轻量化、 小型化，同时还要满足其操作性能的要求，全方向推进器便是基于上述要求 应运而生的。全方向推进器由一组从船体伸向水中并绕垂直船体的轴线作圆 周运动的叶片组成，该组叶片在绕圆周轨迹公转的同时，还绕自身的固定轴 自转。使用这种装置可以减少推进器的数目，这将对改善潜器内部的布置和 减轻潜器本身重量有利。 本论文研究的全方向推进器主要是为了研究水动力实验而设计的。该全 方向推进器由主动圆盘、主动圆盘驱动装置、叶片、叶片驱动装置和支架等 部分组成。主要设计了全方向推进器水动力试验平台的控制系统，并对该控 制系统进行了实验研究。 全方向推进器水动力试验平台的控制系统采用集中控制方法实现。叶片 控制系统以a t m e g a l 2 8 l 和f p g a ( 现场可编程逻辑器件) 为控制核心，主 要由a t m e g a l 2 8 l 高性能单片机、功率放大模块、存储模块、通信模块、f p g a 模块等组成。3 5 个叶片采用直流电机驱动，设计了以功率放大器件i r f p 4 5 0 为核心的功率放大模块来实现叶片的驱动。 根据全方向推进器叶片的摆线规律，推算叶片运动与主动圆盘位置的关 系，并将叶片的运动规律存储在f l a s h 中，实时提取应用。开发了基于u c o s i i 嵌入式操作系统的软件，实现了3 5 个叶片的位置伺服控制。 基于伺服控制理论研究，利用d s p a c e s i m u l i n k 实时仿真平台进行了叶 片伺服驱动系统的半物理实时仿真。将叶片传动系统引入控制回路，将实现 叶片位置伺服控制算法模型转化为s i m u l i n k 与r t i 联系的仿真模型，从而构 成了半物理仿真系统，应用c o n t r o l d e s k 实时测试显示工具对叶片伺服控制 参数进行了实时调节。此后，将全方向推进器应用于船舶水池实验室的现场 实验中，获取全方向推进器运动的实际运动数据，对比理论的运动数据，验 证系统的可行性。 关键词：全方向推进器；叶片：a t m e g a l 2 8 l ；d s p a c e ；位置伺服控制 哈尔滨掣大学硕十学何论文 a b s t r a c t s u b m a r i n ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c i l i t i e si no c e a ne x p l o i t a t i o na n d r e s e a r c h w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs u b m a r i n ei tr e q u i r e sl i g h t e r ，s m a l l e rf i t t i n g s ， a n dm e a n w h i l em u s t s a t i s f y t h e m a n e u v e r a b i l i t yd e m a n d v a r i a b l ev e c t o r p r o p e l l e ri sc o m p o s e do fg r o u p so fb l a d e s ，w h i c he x t e n di n t ot h ew a t e rf r o mt h e h u l la n dc i r c l et h ea x i sp l u m b i n gt h eh u l l t h e s eb l a d e sr e v o l v ea r o u n dt h e c i r c u m f e r e n c et r a c k ，a to n et i m et h e ya l s or o t a t ea r o u n di t so w na x i s b yu s i n g t h i st y p eo fp r o p e l l e r ，i t c e r t a i n l ys e e m st ob ea b l et or e d u c ep r o p e l l e r sa n d c o n s e q u e n t l yt oc o n t r i b u t et ot h ec o m p a c t n e s sa n dt h el i g h tw e i g h to fs u b m a r i n e v a r i a b l ev e c t o rp r o p e l l e rs t u d i e di nt h e p a p e ri sm a i n l yd e s i g n e df o r t h e h y d r o d y n a m i ce x p e r i m e n t s n es t r u c t u r eo fp r o p e l l e rc o m p r i s e sd r i v i n gd i s k b l a d e sa sw e l la st h e i rd r i v ed e v i c e s i tm a i n l yw o r k so u tt h ec o n t r o ls y s t e mf o r t h e p r o p e l l e r sh y d r o d y n a m i ce x p e r i m e n t a t i o np l a t f o r m m o r e o v e ri tm a k e s r e s e a r c hf o rt h i ss y s t e m n ec o n t r o ls y s t e mo fv a r i a b l ev e c t o rp r o p e l l e rh y d r o d y n a m i ce x p e r i m e n t p l a t f o r m a d o p t s c o n c e n t r a t e dc o n t r o lm e t h o d t h ec o n t r o l s y s t e m t a k e s a t m e g a l 2 8 la n df p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) a st h ec o n t r o lc o r e i t i sm a d eu po fa t m e g a l2 8 l h i g h p e r f o r m a n c es c m ，p o w e ra m p l i f i c a t i o nm o d u l e ， m e m o r ym o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n df p g am o d u l e t h et h r e e t o f i v e v a n e sa r ed r i v e nb yd cm o t o r n ep o w e ra m p l i f i e ri r f p 4 5 0i sd e s i g n e da st h e c o r et or e a l i z et h ed r i v eo fb l a d e s a c c o r d i n gt ot h ec y c l o i d r u l eo f p r o p e l l e r sb l a d e ，i tc a l c u l a t e s t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb l a d e sm o v e m e n ta n dt h ed r i v i n gd i s k sp o s i t i o n a n d t h em o v e m e n tr u l e so ft h eb l a d e sa r es a v e di nt h ef l a s h ，s ot h a t t h e yc a nb e r e a l - t i m e a p p l i e d d e v e l o p e db a s e do nu c o s i i r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m s o f t w a r e ，i ta c h i e v e sa3t o5d cb l a d e sp o s i t i o ns e r v oc o n t r 0 1 b a s e do nt h es e r v oc o n t r o lt h e o r yr e s e a r c h ，t h ed s p a c e s i m u l i n kr e a l t i m e s i m u l a t i o np l a t f o r mi su s e dt od e s i g nt h eh i ls i m u l a t i o nf o rt h ev a n es e r v od r i v e s y s t e m h e r et h eb l a d et r a n s m i s s i o ns y s t e mi si nt h el o o p t h eb l a d ep o s i t i o n s e r v oe o n t r o la r i t h m e t i cm o d e li st r a n s f o r m e dt ot h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h e 哈尔滨t 稃大学硕十学传论文 s i m u l i n kl i n k e dt h er t i a c c o r d i n g l y , t h eh i l s i m u l a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d a p p l yo ft h er e a l t i m et e s t i n ga n ds h o w nt o o l - c o n t r o l d e s k ，t h es e r v oc o n t r o l d a r a m e t e r so ft h eb l a d ec a nb er e g u l a t e di n d u ec o u r s e h e n c e f o r t h ，v a r i a b l e v e c t o rp r o p e l l e ri sa p p l i e di ns c e n ee x p e r i m e n to ft h es h i p p i n gp o o ll a b o r a t o r y t h ea c t u a lm o v e m e n td a t ao fp r o p e l l e r sm o t i o ni so b t a i n e d c o m p a r e dt o a c a d e m i cd a t a ，t h es y s t e mi sf e a s i b l e k e y w o r d s ：v a r i a b l ev e c t o rp r o p e l l e r ；b l a d e ；a t m e g a l 2 8 l ；d s p a c e ；p o s i t i o n s e r v oc o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用己在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ： 日期：硝年；月l ；日 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 1 1 选题的目的及意义 第1 章绪论 目前，海洋开发与研究的重要工具之一是潜器。潜器的推进装置一般采 用普通的螺旋桨，为了满足其横向和垂向的运动要求，产生上下方向、左右 方向的推力，需要在艇体的横向和垂向上至少布置四个槽道推进器l 。这样 做破坏了艇体结构的连续性，使得潜器为了满足强度、下潜深度等要求要相 应增加结构尺寸( 如耐压壳体厚度) ，从而增加了艇体的体积和重量，同时也 使得潜器内部的布置受到限制。从节能的意义上讲，推进器的重量比增大不 利于节能。全方向推进器能很好的解决上述矛盾，它仅在首尾配置推进器就 能根据需要产生上下、左右、前后六个方向的推力，从而可以省去横向和垂 向的槽道推进器h 。这样既能够满足结构和强度条件要求以及总布置的要求， 又能够减少推进器的数目，提高潜器的操纵性能，有利于潜器的小型化、轻 量化。 日本船舶界的有关人士在八十年代中期提出了取代主辅推进装置的全方 向推进器的概念( v a r i a b l ev e c t o rp r o p e l l e r ) ，单独使用全方向推进器就可以提 供轴向、横向和垂向推力，实现水下机器人和水下作战平台等潜器的六自由 度运动。它的叶片螺距角在叶片旋转的过程中周期性地改变，在绕圆周轨迹 公转的同时，还绕自身的固定轴自转闭。当叶片处于不同的位置角时，叶片的 攻角也将随位置角的改变而改变，使得各叶片对应叶元体上的切向力也随位 置角的改变而改变，这样情况下，侧向的分力是不能抵消的，因此在桨叶上 将存在侧向力，这样可根据需要产生轴向力、横向力和垂向力。两个这样的 推进器组合就可实现潜器的推进和操纵。通过使用全方向推进器可以大大减 少艇体的重量和体积，改善艇体的结构强度以及艇体内部的总布置，降低噪 音并节约能量，因此具有重大的应用价值。日本的研究人员在八十年代中期 进行了模型试验，并发表了试验结果和基于准定常理论的数学计算模型，这 种计算模型中力( 力矩) 及其导数都为未知量，并且人为地加入了一些关系式， 因此有较大的局限性，此后日本将这种推进器应用于潜器和水下机器人，取 得了明显的效果。 本课题的目的是设计一个高性能的全方向推进器，通过3 5 个叶片和主 哈尔滨- t 程大学硕十学何论文 动圆盘的协调运动来产生垂向推力。在海洋开发和海洋工程中，由于潜器要 执行各种复杂的使命，因而它应具备良好的操纵性能，同时随着海洋开发的 深入发展，潜器的潜水深度不断增加，伴随着潜水深度的增加，潜器的组成 机构趋于大型化，总重量增加，总体规模变大，在使用方面受到的制约也变 多。因此，潜器的小型化、轻量化日益变得重要。潜器的推进、操纵装置通 常由若干个推进器( 包括横向、垂向槽道推进器) 组成，以产生上下、左右和 前后六个方向的推力，来满足对潜器的推进和操纵性能的要求，所以本课题 的研究对全方向推进器的研究有重要意义。 1 2 国内外发展概况 全方向推进器的历史可以追朔到1 8 7 0 年，而与其相似的装置的出现可能 还要早。2 0 世纪2 0 年代k i r s t e n b o e i n g 推进器和v o i t h s c h n e i d e r 推进器先后 问世，自此摆线推进器就以其独特的工作特点逐渐受到人们的关注，应用范 围也不断扩大，先用于内河船，后用于军用船以及海洋平台的动力定位等场 合【2 j 。正因如此，世界上有很多人一直在对它进行理论研究和实验研究，并 取得了许多重要成果。近年来摆线推进器的理论和实验研究工作仍在一些国 家中进行着。如在理论研究方面较著名的有德国l s a y ，日本的t a n i g u c h i ( 谷e l 中) ，美国的h a b e r m a n ，荷兰的s p a r e n b e r g ，d eg r a a f ，v a nm a n e n 和b r o c k e t ， b o s e ，t o m m ij i n l i 以及m e n d e n h f l l 等。在实验研究方面有美国的 n a k o n e c h n y ，f i c k e n ，d i c k e r s o n ，荷兰的v a nm a r t e n 等脚。 在国外，全方向推进器的理论计算、模型试验的研究都已经有一段时间 了。五十年代，德国的l s a y 提出了摆线推进器的二元势流理论，后来美国的 h a b e r m a n 把该方法编成了计算机程序进行了数字计算，并与实验结果进行比 较，指出该方法不能满意的预报摆线推进器的性能。全方向推进器的研究开 发始于日本三菱重工的难波直爱等人。难波直爱于1 9 8 8 年5 月在关西造船协 会的春季演讲会上发表了题为“全方向推进器的开发( 第一部分) ”的论文h 。其 中主要论述了全方向推进器的概要、工作原理、准定常理论的计算方法、水 槽试验的结果等。六十年代初，日本的谷口中提出了准定常流动模型，他假 设在叶片运动所经过的空间，诱导速度的方向与来流一致，诱导速度的分布 沿叶长和轨迹圆是均匀的p 。为了计算这个诱导速度，他利用动量定理得到 一个补偿方程，并在此方程中加上一个基于实验的经验修正系数。h a b e r m a n 和h a r l e y 曾用谷i = 1 中方法对摆线推进器性能进行预报，并与美国海军船舶研 2 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 究与发展中心( 前泰勒水池) 的试验结果作了对比，得出结论认为此法对于半 椭圆轮廓叶片的摆线推进器是合适的。但是他们只比较了偏心率等于小于0 6 的一些情况。后来n a k o n e c h n y ，f i c k e n 和d i c k e r s o n 又做了更多的实验，并 将这些试验结果与谷口中方法计算结果做比较，发现谷口中方法只在中等进 速系数值( 约0 4 到0 5 ) 时较准确，在其它情形下不很好，特别在大偏心率时 存在较大的差别睁哪。1 9 8 0 年朱典明教授改进了谷口中的计算方法，计入了推 进器叶片的曲线轨迹和叶片旋转的影响，提出诱导拱度的概念，同时还放弃 了一些线性化假设以改进计算精度p 。利用这个改进的方法对美国n s r d c 推 进器模型进行了计算，并与该模型的系统试验结果进行比较。结果表明，在 较大的进速系数和偏心率范围内，两者之间的一致性较好，比原方法有明显 的改进。不过，诱导速度的处理与谷口中方法是相同的。 川崎重工于1 9 8 5 年在通产省工业技术院的大型讨论会上发表了极限作 业的螺旋桨的研究开发( 部分) ，并进行了全方向推进器的开发。后来又于 1 9 8 9 年在川崎重工技报上发表了其他的论文。在开展理论研究的同时， 川崎重工也进行了相关的试验研究。日本船舶技术研究所的田村兼吉于1 9 9 1 年在研究所的研究讨论会上进行了题为全方向推进器的研究的演讲1 0 l 。 1 9 8 7 年，b o s e 引用风力机的复合流管理论计算模型来分析摆线推进器的 性能，其目的是为了提供一个即可靠又相对简单的、不需要经验修正的摆线 推进器性能计算方法。该方法是在动量定理计算诱导速度方法的基础上，将 摆线推进器盘面处在垂直于前进方向上划分成多个平行的微流管，对于每一 个微流管，将叶片划过流管上流处和下流处的作用力之和作为该流管上的外 力，应用动量定理求出该流管的平均诱导速度，对于每个划分的微流管分别 用动量定理求出其诱导速度然后计算推进器的水动力。这样就比谷口中的 方法更合理一些。与此类似，为了计算后半圈受前半圈的影响，有人在竖轴 风力机的气动力学计算中提出双重多流管( 即复合流管) 方法。双重多流管方 法在划分流管时与多流管法相同，但在处理上是将上风半圈和下风半圈分开 来考虑，在计算上风半圈时，不考虑下风半圈的影响，应用动量定理计算出 微流管在上风半圈的诱导速度和自由出流速度即流管动量定理中的无穷远处 出流速度。在计算下风半圈时，要考虑上风半圈的影响，将上风半圈的出流 速度作为下风半圈的入流速度，应用动量定理可以计算出下风半圈叶片处的 诱导速度。尽管如此，作者在他的论文中仍然指出：“计算结果表明，安装角 不为零时，功率系数曲线在迭代过程中迟早会发散，而得不出解。安装角越 3 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i - i i 宣i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i 大，发散的越早，这是轴向动量模型的不足之处，有待于进一步的研究。美 国的m r m e n d e n h a l l 和s b s p a n # e r 在1 9 7 1 年提出了一个计算摆线推进器 的二元环流理论的非定常模型。该模型是将摆线推进器置于均匀来流中不动 作为初始状态，然后增加速度直到要求值。叶片的负荷随着时间而改变，每 个叶片的尾缘将产生一系列泄出涡并在流体中形成连续变化的涡分布。将这 些连续变化的涡离散化，用离散的涡丝代替，这些涡丝的运动位置则由当地 的流体速度而定。当计算时间足够长，最初泄出涡达到下游足够远时，不再 对叶片处的流体速度产生影响，这时会得到一个周期解，推进器的平均推力 和转矩可以通过叶片转动一周的时间平均值来计算御。 在国内，哈尔滨工程大学黄胜教授指导其研究生邵雪明、宁至胜、王乐 胜以及冯永军在上述方面做了大量工作u q 。硕士研究生邵雪明在学位论文工 作中对全方向推进器的工作原理和水动力性能预报方法进行了研究，基于螺 旋桨升力线理论，在忽略桨毂影响、尾涡的非定常性和非线性的情况下，对 全方向推进器的水动力性能进行了有关的理论计算，计算结果与理论分析比 较，吻合较好u 川。为了实现全方向推进器的叶片螺距角的周期性改变，他们 设计了一套复杂的调距机构，如图1 1 所示。该机构的特点是，通过偏心盘 上固定的滑块来带动摆杆的转动，再通过一个连杆机构来控制桨叶叶片在旋 转。它主要由控制桨叶叶片转动的调距机构、控制偏心盘偏心位置的机构和 为全方向推进器提供动力的机构三大部分组成。它可以通过控制偏心盘的偏 图1 1 装配示意图 1 滚珠2 大齿轮3 小齿轮4 - 传动轴 心位置的变化来达到控制推进器叶片周期螺距角及整体螺距角变化的目的。 因为它的实用化必须与现代控制技术的发展相结合；同时因为这种调距机构 4 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i ii m- 1 m 一 - i i i i i i 置于螺旋桨桨毅内，相应地增大了桨毅的尺寸，故桨毅对全方向推进器水动 力性能的影响应予以考虑。 全方向推进器作为一种新型推进装置，目前尚处于研究开发阶段，其隐 含的极大的可应用性，还有待于在今后的研究和应用中加以开发和完善。 1 3 实验研究动向 关于摆线推进器的实验资料公开发表的并不多，最典型的比较全面的实 验资料是1 9 6 9 年f i c k e n 和d i c k e r s e n 在n s r d c 报告2 9 8 3 号中发表的文章。 f i c k e n 和d i c k e r s e n 在该文章中对摆线推进器的发展历史和工作原理都作了 介绍，并对实验结果作了讨论。目前有关摆线推进器研究的文章大多引用 他们的实验结果。f i c k e n 和d i c k e r s o n 的实验是比较全面的，偏心率变化范 围从o 4 0 9 ，方向角变化从9 0 度到+ 9 0 度。叶片数有6 叶、3 叶和2 叶三种， 其中2 叶和3 叶是为了比较而做的。实验结果以曲线形式给出，包括在正负 进速范围内的推力，侧向力和摆线推进器的转矩性能。f i c k e n 采用的凸轮机 构实现模型的摆线运动规律，通过变换不同的凸轮改变偏心率的大小。 m c d i c k e r s o n 在1 9 7 5 年也曾报告了n s r d c 在六十年代所做的一些实验结 果，偏心率大于1 ，变化范围为1 4 2 9 3 3 3 3 ，此外，n a k o n e h n y ，v a nm a n e n ， b o s en 和l a i p s k ，t o m m i 和j u 也都做过实验方面的研究，但是都没有 那样全面。其中不乏有偏心率小于1 和大于1 的情况”q 。 八十年代初到八十年代中期，哈尔滨船舶工程学院的马庆位和苏玉民分 别对摆线推进器模型进行了不同程度的试验，利用凸轮作为调整偏心的机构， 研究了6 叶，3 叶和2 叶摆线推进器的水动力性能，以及将其扩大到透平工 作状态的性能研究：并在他们的文章中引用了这些实验结果u 9 1 。不足的是并 未研究方向角的影响网。概括来说，到目前为止，公开发表的实验研究资料 很少，可供设计和理论分析使用的数据十分有限。 1 4 论文主要工作内容 本课题主要是全方向推进器控制系统的研制，包括：硬件电路的设计和 调试、软件系统的设计和调试两大部分。论文的主要内容如下： ( 1 ) 全方向推进器系统总体方案设计：主要包括全方向推进器的机械结 构设计和全方向推进器控制系统总体结构设计； 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ( 2 ) 硬件控制系统设计：主要是叶片控制系统的单片机系统硬件设计、 基于f p g a 的电机伺服模块设计、电机驱动模块设计和电流截止模块设计： ( 3 ) 软件控制系统设计：主要包括叶片运动分析、数字p i d 控制算法 设计、基于u c o s i i 的软件系统设计和叶片控制系统单片机与叶片数据采集 单片机通信协议的设计； ( 4 ) 全方向推进器实验：主要包括软硬件系统的调试、基于d s p a c e 半物理仿真平台的电机伺服控制参数的调试和系统总体的现场调试。 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i my i i i i i 宣 第2 章系统总体方案 2 1 机械系统方案 本论文研究的全方向推进器主要是为了研究水动力性能而设计。该全方 向推进器主要由支架、主动圆盘、主动圆盘驱动装置、叶片和叶片驱动装置 等部分组成。主动圆盘及其主动圆盘驱动装置主要负责系统的主运动，即绕 主动圆盘中心轴垂直于水面的转动。在推进器工作时，主动圆盘的主运动为 匀速运动。叶片及其叶片驱动装置主要负责叶片相对于主动圆盘的转动。 本次设计的机械结构总图如图2 1 所示，主要由支架、主动圆盘驱动装 置、主动圆盘、叶片驱动装置和叶片等组成。 图2 1 机械系统结构总图 1 主动圆盘驱动装置2 主动圆盘3 叶片驱动装置4 叶片5 支架 7 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 2 1 1 主动圆盘驱动装置 如图2 2 中主动圆盘驱动装置包括支架、交流伺服电动机、联轴节和一 对锥齿轮等。支架主要起支撑作用，交流伺服电动机产生旋转运动，直接传 递给联轴节，再经一级锥齿轮减速后带动主动圆盘运动。由于在全方向推进 器工作的时候需要测量转轴的扭矩，因此在传动轴上安装了扭矩传感器。 图2 2 主动圆盘驱动装置结构图 1 支架2 锥齿轮3 联轴器4 扭矩传感器5 联轴器6 交流伺服电动机 2 1 2 叶片驱动装置 如图2 3 中是叶片驱动装置，其包括直流伺服电机、减速器、一对直齿 轮、编码器、支架和主传动轴构成。直流伺服电动机产生旋转运动，经减速 器减速后传给一对直齿轮。直齿轮与主传动轴采用键联接从而将转动传递给 主传动轴，主传动轴与叶片直接紧固连接，这样就实现了叶片的驱动。 2 2 驱动方案设计 目前驱动方式有电机、液压和气动三种。电动系统适合于中等负载、动 作复杂、运动轨迹严格的场合。驱动方式有直接驱动和间接驱动两种。直接 驱动( d d r ) 将电机直接做在对象上。目前大部分应用的是间接驱动，即电机 通过减速器装载与对象相连。 全方向推进器的主动圆盘和叶片都采用的是电机间接驱动。主动圆盘采 用交流电机驱动，而叶片采用直流电机驱动。由全方向推进器的运动特性决 定，主动圆盘应采用速度伺服控制，叶片应采用位置伺服控制。主动圆盘的 8 哈尔滨t 稗人学硕十学传论文 图2 3 叶片驱动装置结构图 1 直流伺服电动机2 减速器3 直齿轮4 编码器 5 驱动装置支架6 主传动轴 控制系统选择y a s k a w a 公司的s g m p h 0 1 a a c 2 s 型交流电机和y a s k a w a 公司的s g d m0 1 a d a r 型交流伺服控制器。叶片的驱动系统选择博山新特电 机厂的9 0 z y t l 0 3 型号的直流电机。叶片转角反馈采用长春倍信光电有限公 司的z k d 1 3 a 2 5 0 0 g 0 5 l 型增量式正交光电编码器，编码器每转产生2 5 0 0 个脉冲。 2 3 控制方案设计 2 3 1 系统总体控制方案 系统硬件主要由工控p c 、显示器、主单片机、从单片机、交流电机伺服 控制器、直流电机伺服控制板等，如图2 4 所示。推进器控制系统包括主动 圆盘的速度闭环伺服控制和3 5 个叶片的位置闭环伺服控制。两种伺服运动 之间还有密不可分的关系。叶片的摆动角就是水动力攻角，水动力攻角的大 小与主动圆盘的位置有关系，它是由控制器的软件控制程序来完成。 系统供电系统是控制系统重要组成部分之一。系统中即涉及a c 3 8 0 v 的 工业动力电，又涉及+ 5 v 的单片机电源，此外还有相关的驱动电源与控制电 9 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 源的隔离问题。在此设计了系统供电的原理框图，如图2 5 所示。 a c 3 8 0 v 稳压电源 图2 4 系统总体控制框图 交流电机 交流电机伺服控制# d c i1 0 v 卜1 稳压卜1 士1 2 v 卜一叫稳压h + 3 3 v 卜叫数据采集单片机 电滑环 d c l l o v 堡坐h ：! ! h 堡竺h ! ! | _ - 1 直流电机驱动 稳压h + s vh 稳压h + 3 3 v 卜- 叫叶片控制单片机 磊司田l 肉网兰医瓦磊而 直流电机 2 3 2 叶片控制方式 全方向推进器的叶片组合有三种，分别是3 个、4 个和5 个，每个叶片 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 mnmm 都用一个直流伺服电动机驱动，因此推进器共需要5 个直流电机实现其叶片 的驱动。就每个叶片而言，它的攻角随着主动圆盘位置的改变而改变，因此 需要采用位置伺服控制。就每个叶片的控制系统来说就是一个典型的位置伺 服控制系统。在实际的系统中，采用单片机数字控制的方法，p w m 信号驱 动h 桥的方式作为控制器的输出驱动电动机工作，以装在主传动轴上的相对 式编码器的信号作为反馈回路。整个系统需要5 路独立的p w m 输出接口， 驱动5 路伺服电机，并有5 路正交编码器输入接口。 机器人的控制系统按其控制方式主要有集中控制和分散控制两种。各种 控制形式的优缺点如下： 集中控制：由一个功能强大的处理器承担所有的控制算法的计算。本课 题是将对5 个电机进行集中控制，将5 路的闭环算法在通过一个微处理器实 现。对这个微处理器的要求比较高，并且要求接口丰富，特别是p w m 输出 和正交编码器接口。优点是：规模小，集成度高，可靠性高，并且和上位机 单独通信，协议简单，可靠性高。缺点：成本较高。 分散控制：对单一叶片电机进行控制算法计算，由一个上位机进行调度。 本课题使用5 个微处理器分别对5 个电机进行控制，5 个微处理器分别与上 位机进行通信。这样每个微处理器上可以实现一路电机的闭环控制。优点是： 在软件实现方面简单，成本比较低。缺点：系统比较庞大，造成与主机通讯 协议复杂，可靠性比较低。 经过分析比较集中控制和分散控制的优劣，本课题选用集中控制的控制 方案。这样的控制系统具有集成度高、可靠性高的特点。因此需要一个具有 计算速度快、5 路独立p w m 输出、6 路正交编码器输入、一定数量i o 的处 理器。通过市场调研，发现没有带5 路电机正交编码器的处理器。经过实践， 得出一种电机伺服控制方案，选用a t m e g a l 2 8 l + f p g a ( e p l k 3 0 t c l 4 4 3 ) 的 硬件构架来实现整个机器人的伺服控制，其系统结构如图2 6 所示。 2 3 3 叶片控制原理 整个系统由a t m e g a l 2 8 l 高性能单片机、功率放大模块、存储模块、通 信模块、f p g a 模块等组成。其中单片机主要负责控制算法的计算；功率放 大模块实现p w m 信号的放大及电机的过流保护，原理框图如图2 7 所示： 通信模块负责与上位机进行通讯；f p g a 模块实现6 路正交编码器接口、i o 扩展及单片机外部地址总线的地址译码。其系统的特点有： 哈尔滨厂稗大学硕十学何论文 图2 6 控制系统结构图 ( 1 ) 以a t m e g a l 2 8 l 为c p u ，当外部时钟为7 3 7 2 8 m l - l z 时，具有 7 3 7 2 8 m 口s 的运算能力b ”； ( 2 ) 3 2 k 的外部s r a m ，提供程序的运行数据空间； ( 3 ) f p g a 实现6 路正交编码器接口、1 6 位的数字i o 等数字电路； ( 4 ) 5 路独立的p w m 输出隔离，通过h 桥功率放大，以驱动电机； ( 5 ) 通过r s 2 3 2 通讯接口与上位机通讯，简单实用； ( 6 ) 外扩基于s p i 总线的1 m b y t e 的f l a s h ，可以用于数据存储。 图2 7 功率驱动及过流保护原理框图 在系统运行的过程中，用单片机内部的定时器产生周期为5 m s 的时间中 断，以使采样时间任务由就绪状态进入运行状态，在采样时间任务中，通过 读取f p g a 内部的正交编码器计数器，经过辨向，得到电机当前位置，然后 通过位置及速度闭环算法得到应该所要求输出的控制量，即p w m 的占空比， 1 2 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 经过功率放大，以驱动电机。在这个过程中驱动模块的电流采样环节对电机 的电流进行实时的检测，当电流超过规定值时，电流截止保护电路会产生相 应的信号来关闭驱动模块以保护电机，单片机通过中断对上位机的命令进行 检测，以实时的响应来自上位机的各种命令，并做出应答，同时当5 个电机 的某一个发生过流现象时，向上位机进行报警。 2 4 本章小结 本章主要介绍了全方向推进器的机械结构及其叶片控制系统的驱动方 式，同时对课题所研究的全方向推进器叶片的控制系统组成及其工作原理作 了系统的介绍。 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 第3 章控制系统硬件电路设计 控制系统硬件主要由主动圆盘控制系统硬件和叶片控制系统硬件组成。 主动圆盘控制系统硬件由电位计和交流伺服控制器组成，电位计的输出为主 动圆盘的速度给定，交流伺服控制器得到这一信号后完成主动圆盘的速度伺 服控制。叶片控制系统硬件由主控单片机a t m e g a l 2 8 l 、f p g a 外设扩展模 块、功率放大模块、通讯模块以及存储模块等组成。本章将详细介绍叶片控 制系统硬件各个模块的构成及其功能。 3 1 功率放大模块设计 直流电动机具有良好的起制动性能，适宜在大范围内平滑的调速，在需 要调速或快速正反的电力拖动领域中取得了广泛的应用。直流电动机转速和 其他参量之间的稳态关系可以表示为： 刀。u - i r ( 3 - 1 )刀i j k 。m 式中：以转速，r m i n 【，电枢电压，v ，电枢电流，a r 电枢回路总电阻，q m 励磁磁通，w b k 由电机结构决定的电动势常数 在上式中，k 是常数，电流，是由负载决定的，因此调节电动机的转速 可以有三种方法： ( 1 ) 改变电枢供电电压； ( 2 ) 减弱励磁磁通； ( 3 ) 改变电枢回路的总电阻。 自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。对于要求在一定范围内 无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只 能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大嘲。 调节电枢电压需要专门的可控直流电源，常用的可控的直流电源有以下 1 4 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 in_ t i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i 宣 三种： ( 1 ) 旋转变流机组：用交流电动机和直流电机组成机组，可获得可调的 直流电压； ( 2 ) 静止式可控整流：用静止式的可控整流器得到可调的直流电压； ( 3 ) 直流斩波或脉宽调制：产生可变的平均电压。 由于前两种适用于大功率的电机控制，并且设备庞大，成本昂贵，而全 方向推进器叶片驱动属于中小功率驱动，因此选用p w m ( 脉宽调制) 的方式作 为功率驱动的方式。用功率放大模块将来自单片机的p w m 信号，进行放大， 以用来驱动直流伺服电机。 3 1 1p w m 驱动电路设计 系统采用p w m ( 脉宽调制) 的方式驱动电机，把恒定的直流电源调制成频 率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，得 以调节电机的转速田1 。本文采用了h 桥结构的双极性可逆的驱动电路。该电 路有以下的优点： ( 1 ) 可使电动机在四象限运行； ( 2 ) 电流一定连续； ( 3 ) 能消除静摩擦死区； ( 4 ) 低速平稳性好，系统的调速范围宽； ( 5 ) 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠 导通。 h 桥结构的双极性可逆的驱动电路的缺点：在工作过程中，4 个开关器 件可能都处于开关状态，开关损耗大；在切换时可能发生上、下桥臂易发生 直通的事故。 下面以单个直流电机的p w m 驱动电路为例来说明。单个电机的p w m 功率驱动电路原理图如图3 1 所示。单片机输出的p w m 信号，经过f p g a 内部的反向器变成两路相位相反的p w m 信号。由于功率端使用p w m 驱动 电机，电流变化较大，如果与数字端共地，将严重干扰数字控制系统。因此 用高速光隔隔离数字控制端和功率控制端。由于p w m 的信号的频率大约在 1 0 k h z 一2 0 k h z 之间，一般的光隔的开关速度已不能满足要求，在此选用 t o s h i b a 公司的高速光耦6 n 1 3 7 来隔离开关量信号，提高系统的抗干扰能力。 p w m 信号经隔离后，驱动i r 2 1 1 0 半桥驱动芯片。i r 2 1 1 0 内部集成了死区电 1 5 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i m m mii i 宣i 宣宣 路，以保证上下桥臂不会同时导通。瓜2 1 1 0 驱动4 个i r f p 4 5 0 构成的h 桥， 以驱动电机。i r f p 4 5 0 是一种高速开关的c m o s 管，持续工作电流1 4 a ，耐 压可达5 0 0 v ，导通电阻4 0 0 毫欧姆，内自带续流二极管。 图3 1p w m 功率驱动电路原理图 3 1 2 电流保护电路设计 由于选用的直流电机过流能力差，当电机发生堵转时，电机的反电动势 等于零，造成电枢回路的电流急剧上升，如果不制止，将发生电机烧坏损毁 的事件。为了保护电机，驱动系统增加了电机电枢回路电流保护电路。如图 3 1 所示，在h 桥底部接o 3 欧姆的取样电阻，以采样h 桥的电流。由于选 用p w m 的形式驱动电机，因此采样电阻得到的电压是频率为p w m 频率的 脉动的电压信号，对此电压经过滤波、放大、比较器来控制瓜2 1 1 0 的使能端 ( s d ) ，以起到过流保护的作用，具体电路如图3 2 所示。 其中l m 3 5 8 是单电源供电的运算放大器，l m 3 9 3 是集电极开路型输出 的模拟比较器。电路原理：l m 3 5 8 中的一个运算放大器配合外围的电阻、电 容元件构成一个一阶低通滤波器，增益可调，带宽为1 0 0 h z ，其主要作用是 提高采样的输入阻抗以及滤去p w m 带来的高频干扰，得到一个相对平稳的 电压值。l m 3 9 3 将运放得到的电压与设定的电压进行比较，若超过设定的电 压，比较器输出高，使i r 2 1 1 0 使能端( s d ) 失效，从而关断h 桥的四个c m o s 管，从而电机停止转动，达到限流、保护电机的目的。实践中由于功率电源 1 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 对其干扰比较大，因此设定的电压比理论计算值大，属于正常情况。在理论 上滤波器采样的电压有一定的滞后，导致对电流的滞后，但直流电机有一定 的过流能力，在实际应用中不影响使用，并取得了良好的过流保护功能。 广l 二1 f 争， ；v 一 5 0 k r 1i 嘛 i i l l 1 1 m 3 9 3 d i 己酵拦羔 1 r u l a v 妯口l 3 心5 甲3 一 。，=i ” 磊乏。 ：1l 1 呱莹尘 “吲 = 二艘j i 寸 ki i i - 图3 2 过流保护电路 3 1 3 开关量隔离电路设计 在本系统中设计两种开关量的隔离，一种是用于功率放大的p w m 信号 的隔离，另一种是采用电流保护后生成比较控制i r 2 1 1 0 的使能端( s d ) 反馈信 号的隔离。p w m 信号的频率较快，一般在1 0 k 一2 0 k 之间，而i r 2 1 1 0 使能 端信号的频