基于永磁同步电机的大型望远镜低速伺服系统研究

CIOMP OpenIR

	基于永磁同步电机的大型望远镜低速伺服系统研究
	刘京
学位类型	博士
导师	李洪文
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	望远镜永磁同步力矩电机矢量控制频率特性扰动力矩滑模控制扰动观测器鲁棒性迭代学习控制周期性转矩脉动
摘要	望远镜系统是集合了光学、机械、电控和图像处理等多种技术的高精度远程观测系统,在天体目标观测、激光通信、空间人造目标的监视定轨以及成像识别等领域有着非常重要的作用。随着天文学以及空间目标识别等相关技术的发展,要求望远镜系统拥有更强的空间观测能力,以实现对微小、暗弱和远距离目标的实时精密跟踪和监测。在此背景下,需要增大望远镜的主镜口径来获得更强的集光能力和更高的分辨率。同时,对执行跟踪任务的望远镜伺服控制系统也提出了更高要求,跟踪精度应达到角秒级。望远镜口径增大,伺服系统驱动电机的负载也相应增大,因此要求电机提供更大的驱动力矩来带动望远镜系统的轴系运转,通常应大于10~5 N×m。但是,有如此级别驱动能力的有刷直流力矩电机体积大、散热能力差,且由于机械换向引入非线性扰动,导致其低速性能较差。因此,有刷直流力矩电机已经难以胜任大型望远镜高精度跟踪系统的驱动任务。交流永磁同步力矩电机以其较高的功率密度、转矩惯量比和可靠性以及良好的低速性能成为了替代直流电机的首选对象。国外许多大型望远镜均采用了永磁同步力矩电机作为执行机构,但是国内望远镜伺服控制系统使用永磁同步电机的相对较少,技术水平相对还不够成熟。因此,研究以永磁同步电机作为驱动电机的望远镜低速伺服系统,深入分析影响控制精度的主要因素并有针对性的设计控制策略,对于提升大型望远镜系统的整体跟踪性能具有重要的工程意义。衡量望远镜伺服控制系统性能的主要指标是跟踪精度。在传统的望远镜跟踪控制技术中,设计控制器时通常不考虑系统中参数时变、力矩扰动等非线性因素的影响,以简化控制系统设计。但是,这种简化方法限制了望远镜伺服系统本身所能达到的跟踪精度。在望远镜系统实际运行观测目标的过程中,不可避免会受到各种扰动因素的影响,其中系统参数摄动导致的模型不确定性扰动、驱动电机本身的力矩脉动、轴系摩擦力矩扰动、外部风载扰动是影响望远镜伺服系统跟踪精度的主要原因。本课题以中科院长春光机所某型号地基光学望远镜为应用背景,对永磁同步电机低速伺服控制系统进行研究。旨在通过采用先进的控制策略,提高望远镜伺服系统对目标信号的动态响应速度和跟踪精度,增强系统的抗干扰能力。主要的研究工作为以下四个方面:(1)首先,介绍永磁同步电机的结构和特点,建立包括电压方程、转矩方程、磁链方程和运动方程在内的数学模型;其次,概述了包括空间矢量脉宽调制、坐标变换和矢量控制在内的永磁同步电机基本控制方法的原理和实现。最后,以基本控制方法为基础,在Matlab/Simulink中对望远镜主轴伺服系统速度闭环模型做仿真分析。仿真跟踪速度阶跃信号和等效正弦信号,从速度和电流响应的仿真结果可以看出,该系统具有波动小、响应快、稳定可靠的特点,验证了基本控制方法的可行性,同时为永磁同步力矩电机的硬件控制系统设计奠定了基础。(2)将望远镜主轴伺服系统的控制模型等效为二质弹簧模型,分析了机械谐振频率产生的原因及影响因素。同时,给出了主轴伺服系统不考虑机械柔性连接的动态模型作为先进控制策略设计的被控模型。为了得到被控系统的频率特性,采用正弦扫频激励对望远镜主轴伺服系统进行开环测试。采用谱分析法对测试数据做数学处理,进而计算由功率谱密度函数表示的系统传递函数。由系统的频率特性曲线,辨识出锁定转子谐振频率的分布。被控模型和锁定转子谐振频率为后续系统控制器设计提供理论依据。(3)在实际的望远镜伺服控制系统中存在多种影响跟踪精度的综合扰动因素,包括模型不确定性扰动、轴系摩擦力矩扰动、驱动电机本体力矩脉动和风载扰动等。为了提高望远镜主轴伺服系统的跟踪精度,从抑制综合扰动的角度考虑,需要设计一种具有较强的系统性扰动抑制能力的控制策略。因此,本文首先分析了上述多种扰动因素对控制系统跟踪精度的影响,提出了一种基于滑模控制和扰动观测补偿的复合控制策略。首先,通过设计一种新型趋近律,解决了传统等速趋近律滑模面趋近时间和滑模抖振之间的矛盾,提高滑模控制器的动态响应速度。其次,设计基于新型趋近律的电流和速度滑模控制器,以改善整个系统的控制性能。最后,针对滑模控制的特性,设计滑模观测器对系统扰动进行在线实时估计,扰动观测值经过处理后对电流和速度滑模控制器分别做前馈补偿。滑模观测器的加入,可以在不增大滑模抖振的前提下,进一步提高系统的抗扰动性能。该复合控制策略将系统所有干扰统一视为系统外部扰动力矩,通过设计强鲁棒性的控制策略来提高系统的控制精度。实验结果表明,采用复合控制策略,望远镜主轴伺服系统跟踪两种不同斜率的位置斜坡引导信号,误差RMS值分别为0.0083″和0.021″,跟踪正弦引导信号的误差RMS为0.13";相比于传统PI控制,位置跟踪精度分别提高了44.67%,57.1%和43.5%。(4)在由永磁同步电机驱动的低速伺服系统中,普遍存在周期性转矩脉动现象,电机的周期性转矩脉动对控制系统的跟踪精度也会产生较大影响。复合控制策略在设计时未考虑这些扰动的周期特性,对周期性扰动的抑制能力有限。本文对周期性转矩脉动问题重点进行研究,设计了基于鲁棒迭代学习控制的抗扰动控制策略。针对受到周期性转矩脉动影响较大的一类望远镜伺服系统,从降低谐波转矩的角度,提高其低速跟踪精度。首先详细分析引起转矩脉动的因素,包括电机磁通谐波、齿槽效应、逆变器死区效应以及电流检测误差,并对其产生的脉动转矩特性分别进行描述。系统地介绍转矩脉动问题的主要解决方法,并对不同方法的控制特点进行了研究。在此基础上设计了以滑模控制和迭代学习控制为核心的鲁棒迭代学习控制策略,该控制策略可充分继承上述两种方法的优点。鲁棒迭代学习控制在提升系统鲁棒性的同时,可有效抑制望远镜伺服控制系统的周期性转矩脉动,提高速度和位置的跟踪精度。实验结果表明,与PI-迭代学习控制策略相比,鲁棒迭代学习控制策略将望远镜主轴伺服系统的速度跟踪精度提高了36.67%,对斜坡和正弦信号的位置跟踪精度分别提高了55.56%和50%。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61643
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	刘京. 基于永磁同步电机的大型望远镜低速伺服系统研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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