一种基于PID-滑模变结构算法的起竖装置控制系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开的一种基于PID‑滑模变结构算法的起竖装置控制系统属于起竖装置控制系统领域，具体涉及一种起竖装置控制系统的机械结构的设计、以DSP芯片为核心的控制电路和以IPM为核心的功率驱动电路的硬件部分的设计、基于SVPWM电机控制算法与PID‑滑模变结构算法相结合的控制算法的设计，并采用MATLAB/GUI作为软件开发平台，进行上位机软件的开发。本控制系统基于PID‑滑模变结构算法削弱了传统滑模变算法产生的抖振，在保证系统具有高鲁棒性的同时，最终可以实现小型起竖装置控制系统的精确平稳控制。

A control system of erecting device based on PID-sliding mode variable structure algorithm

【技术实现步骤摘要】
一种基于PID-滑模变结构算法的起竖装置控制系统
本专利技术属于起竖装置控制系统领域，具体涉及一种小型起竖装置控制系统机械结构的设计、以DSP芯片为核心的控制电路和以IPM为核心的功率驱动电路的硬件部分的设计、基于SVPWM电机控制算法与PID滑模变结构算法相结合的控制算法的设计。
技术介绍
小型起竖装置控制系统作为筒装(仓储)弹药发射系统的一个重要组成部分，对于保护弹药安全及保证武器系统高精度发射具有重要的作用。由于液压系统具有典型的非线性，系统存在流量压力关系、电磁转换、阀门工作死区非线性，阻尼系数、流量系数、油温时变性以及液体压缩、饱和摩擦等问题，这些问题直接导致电液控制系统出现了参数变化大、非线性程度高、易受外界干扰的特点，这些特点严重制约了电液控制系统的精确控制，因此在车载火炮和中小型导弹发射装置起竖系统中，电驱动已经开始逐步取代液压驱动，并成为未来一个重要的发展趋势。本专利技术利用交流伺服控制的方式对小型起竖装置控制系统进行驱动。伺服系统，又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。从最初的液压伺服马达、功率步进电机，后来又专利技术出直流电机伺服系统，直至今日，采用先进控制策略和全数字控制的交流伺服系统。随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术和电机制造技术取得了巨大进步，目前在雷达和武器随动系统、机器人、大规模集成电路制造、数控机床和激光加工等领域，伺服控制系统都扮演着支柱角色。尤其是随着机电一体化和智能制造技术的发展，伺服控制系统作为电力传动自动控制系统的一个重要分支，已经成为现代工业、国防现代化和高科技领域不可缺少的重要部分。在交流伺服控制系统中，先后出现过感应式交流伺服电机驱动系统，永磁交流电机伺服系统，以及磁阻交流电机驱动系统，在上世纪九十年代初，又出现了具有直接驱动能力的各类直线伺服电机及其驱动系统，从而揭开了交流直线伺服控制系统取代交流旋转伺服控制系统的序幕，其中以永磁交流伺服电机驱动系统发展最快，在当前已占据了主导的地位。因此，研究利用永磁交流伺服控制系统进行起竖装置开关控制具有重要的意义，可以利用先进的控制策略和高度集成化的控制模块对小型起竖装置控制系统进行精确控制。本专利技术开发了基于DSP芯片TMS320F28335的PID-滑模变结构控制算法为核心的交流伺服控制系统，具有较高的准确性与鲁棒性。
技术实现思路
针对现有的小型起竖装置控制系统存在的问题，本专利技术公开的基于DSP芯片TMS320F28335的PID-滑模变结构控制算法为核心的交流伺服控制系统要解决的技术问题是：提供一套小型起竖装置控制系统，可应用于实现弹舱盖开启和关闭的高精度平稳运动控制。本专利技术的技术方案如下：本专利技术公开的一种小型起竖装置控制系统的机械结构包括盖体，支撑臂，转轴，键等部分。盖体的基本尺寸是φ450mm，厚10mm，材料选用的是优质的铝合金6063-T，焊接性能和耐蚀性优良。考虑到盖体零件要和支撑臂零件进行连接，所以设计出伸出盖体的凸台，并分别在其上面设计了4个螺纹孔在盖体零件的两个伸出的部分同其他支撑零件相连接。选用螺栓连接方式，采用8个M5的内六角螺钉进行连接固定。支撑臂所用材料仍然是6063-T铝合金。在一端设计了通孔从而方便与盖体连接，另一端是和传动轴配合的孔，并设计了键槽，起到径向定位的功能。转轴的材料为45钢，根据扭转强度条件设计轴最细部分的直径，轴扭转的强度条件为：式中，τ为扭转切应力，单位为Mpa，T为轴受的扭矩，单位N·mm,W为轴的抗扭截面系数，单位mm2，n为轴的转速，单位r/min，P为轴传递的功率，单位kW，d为计算截面处轴的直径，单位为mm，。[τ]为许用扭转切应力，单位是Mpa，常用45钢材料的许用应力值为30-40N·mm，A0值为125-148。由上式可得轴的直径计算公式：根据转轴的工作条件和材料，查表可得，A0＝130，则：由于轴的最小直径处安装联轴器，并通过联轴器与电动机相连接，设有一个键槽，则：dmin'＝dmin(1+7％)＝8.82×(1+7％)＝9.43mm(4)综合考虑，可取最小转轴的直径是10mm，与支撑臂相配合的轴径取为15mm。轴上零件的定位是为了保证传动件在轴上有准确的安装位置，固定则是为了保证轴上零件在运转过程中保持原位不变。轴上零件的轴向定位方式是轴肩定位，主要用于两个支撑臂的轴向定位，另一侧是利用轴端挡圈来限制支撑臂轴向移动，从而保证其轴向定位。周向是利用键进行周向定位，在支撑臂和转轴上各有键槽，根据国家标准设计标准的键和键槽进行配合，从而对轴上零件进行固定。为保证结构的工艺性，轴上键槽沿轴的同一母线布置，并在轴和轴肩端部设置相应的倒角。为提高轴的疲劳强度应尽量减少应力集中，在结构设计方面，轴截面尺寸突变处会造成应力集中，所以本专利技术设计的转轴尽可能减小相邻轴段直径的差值，在轴径变化处设置较大的过渡圆角半径。零件材料如表1所示。表1零件材质本专利技术公开的小型起竖装置控制系统的控制系统硬件总体设计包括控制板和驱动板两大部分。控制板主要以主控芯片DSP为控制核心，包括电源电路模块、复位模块、ADC模块、JTAG调试模块等一些外围电路设计。控制电路实现功能是获得相关指令信号和反馈信号，进行相关控制算法的解算，生成用于控制功率模块的PWM信号。驱动板包括整流电路、逆变电路、电流采样电路、功率模块和电源电路等，其功能是实现能量的交流-直流-交流形式变换，从而驱动电机力矩、速度、位置实现精准控制。系统上电后，DSP上的ADC模块采集永磁同步电机的三相电流值和母线电压值，QEP模块通过编码器采集电机的位置和速度值，DSP利用采集到的三相电流值、母线电压值和电机位置信息进行SVPWM控制算法的解算，然后将解算完成的控制信号通过PWM模块输入到驱动板上的IPM模块，从而控制三组桥臂的通断产生正弦型交流电压，并输入到永磁同步电机的三相绕组中，从而控制电机按照给定的位置曲线进行精准跟踪。本专利技术的控制系统采用TMS320F28335作为控制器的主控芯片。功率电路采用的是交-直-交电压型逆变器形式，主要由整流桥、滤波电容、逆变器、保护电路和采样构成。整流桥和滤波电容一起构成直流电压源，将恒频恒压的220V交流电源变换成直流电源，而逆变器实现直流电源到变频变压交流电的转换，为永磁同步电机提供控制所需要的交变电流。IPM中集成了六个IGBT功率器件，六路功率开关信号由DSP的增强型脉宽调制器ePWM产生。通过控制逆变器开关通断顺序和时间分配规律，在逆变器的输出端可以输出等幅、宽度可调的矩形波电压，从而激励电机三相绕组产生交变电流。整流环节采用典型电容滤波的单相桥式不控整流电路和GBJ2510单相不控整流扁桥堆。功率模块及其驱动、保护电路采用国际整流器公司(IR)的智能功率模块IRAM256-1567A，结合IRAM256的器件手册，对IPM的主电路进行了合理设计。当驱动器带大惯量负载进行频繁制动时，伺服电机将处于发电工作方式，而系统整流电流部分采用的是不控整流电路，整流模块和逆变器模块之间包含有较大的储能电容，它钳制着直流母线电压不能迅速反向，电流无法回馈到电网系统，如果仅靠逆变器本身来吸收再生电能将会导致电容的电荷在短时间内堆积，直流母线电压将快速上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.小型起竖装置控制系统的机械结构包括盖体，支撑臂，转轴，键等部分；盖体的基本尺寸是φ450mm，厚10mm，材料选用的是优质的铝合金6063‑T，焊接性能和耐蚀性优良；考虑到盖体零件要和支撑臂零件进行连接，所以设计出伸出盖体的凸台，并分别在其上面设计了4个螺纹孔在盖体零件的两个伸出的部分同其他支撑零件相连接；选用螺栓连接方式，采用8个M5的内六角螺钉进行连接固定；支撑臂所用材料仍然是6063‑T铝合金；在一端设计了通孔从而方便与盖体连接，另一端是和传动轴配合的孔，并设计了键槽，起到径向定位的功能；转轴的材料为45钢，最小转轴的直径是10mm，与支撑臂相配合的轴径取为15mm；轴上零件的定位是为了保证传动件在轴上有准确的安装位置，固定则是为了保证轴上零件在运转过程中保持原位不变；轴上零件的轴向定位方式是轴肩定位，主要用于两个支撑臂的轴向定位，另一侧是利用轴端挡圈来限制支撑臂轴向移动，从而保证其轴向定位；周向是利用键进行周向定位，在支撑臂和转轴上各有键槽，根据国家标准设计标准的键和键槽进行配合，从而对轴上零件进行固定；为保证结构的工艺性，轴上键槽沿轴的同一母线布置，并在轴和轴肩端部设置相应的倒角；为提高轴的疲劳强度应尽量减少应力集中，在结构设计方面，轴截面尺寸突变处会造成应力集中，所以本专利技术设计的转轴尽可能减小相邻轴段直径的差值，在轴径变化处设置较大的过渡圆角半径。...

【技术特征摘要】
1.小型起竖装置控制系统的机械结构包括盖体，支撑臂，转轴，键等部分；盖体的基本尺寸是φ450mm，厚10mm，材料选用的是优质的铝合金6063-T，焊接性能和耐蚀性优良；考虑到盖体零件要和支撑臂零件进行连接，所以设计出伸出盖体的凸台，并分别在其上面设计了4个螺纹孔在盖体零件的两个伸出的部分同其他支撑零件相连接；选用螺栓连接方式，采用8个M5的内六角螺钉进行连接固定；支撑臂所用材料仍然是6063-T铝合金；在一端设计了通孔从而方便与盖体连接，另一端是和传动轴配合的孔，并设计了键槽，起到径向定位的功能；转轴的材料为45钢，最小转轴的直径是10mm，与支撑臂相配合的轴径取为15mm；轴上零件的定位是为了保证传动件在轴上有准确的安装位置，固定则是为了保证轴上零件在运转过程中保持原位不变；轴上零件的轴向定位方式是轴肩定位，主要用于两个支撑臂的轴向定位，另一侧是利用轴端挡圈来限制支撑臂轴向移动，从而保证其轴向定位；周向是利用键进行周向定位，在支撑臂和转轴上各有键槽，根据国家标准设计标准的键和键槽进行配合，从而对轴上零件进行固定；为保证结构的工艺性，轴上键槽沿轴的同一母线布置，并在轴和轴肩端部设置相应的倒角；为提高轴的疲劳强度应尽量减少应力集中，在结构设计方面，轴截面尺寸突变处会造成应力集中，所以本发明设计的转轴尽可能减小相邻轴段直径的差值，在轴径变化处设置较大的过渡圆角半径。2.小型起竖装置控制系统的硬件总体设计包括控制板和驱动板两大部分；控制板主要以主控芯片DSP为控制核心，包括电源电路模块、复位模块、ADC模块、JTAG调试模块等...

【专利技术属性】
技术研发人员：何光，王兴谞，宋传孟，周伟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11