旋转式音圈电机控制策略与驱动拓扑研究

发布时间：2017-10-08 22:30

  本文关键词：旋转式音圈电机控制策略与驱动拓扑研究

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【摘要】：旋转式音圈电机因其具有线性控制、高定位精度、直接驱动等特点在精密位置伺服控制系统中得到广泛应用,而近年来随着应用环境的不断升级和应用场景的不断增加,对音圈电机的控制性能也提出越来越高的要求,研究高性能音圈电机控制系统显得非常必要。本文首先分析了旋转式音圈电机的工作原理并建立了电机本体的数学模型。根据数学模型,进一步讨论了在一定物理限制条件下的音圈电机极限动态性能,包括对正弦参考的幅值和相位跟踪以及阶跃响应的快速无超调最短响应时间,这些动态性能指标直接决定了旋转式音圈电机闭环控制效果和实际应用场合。针对音圈电机动态模型建立困难以及位置控制精度要求高的特点,本文研究了基于自抗扰控制策略的音圈电机控制方案。分别分析了构成自抗扰控制的扩张状态观测器环节和反馈控制律环节的稳定性,给出了具有参考输入的自抗扰闭环控制系统的稳定性判断条件。同时,在基于带宽概念对系统极点进行配置前提下,对具有不同和相同扩张阶数的扩张状态观测器性能进行了频域和时域分析,并考察了扩张阶数、带宽对观测器性能的影响。分析了针对不同参考信号的线性反馈控制律闭环性能,结果表明适当的参数配置可以将高阶闭环系统等效为二阶或一阶系统,闭环控制性能更理想。在稳定性和控制性能分析的基础上,设计了旋转式音圈电机的单级自抗扰控制策略和串级自抗扰控制策略,并与三闭环具有前馈的PID控制进行了仿真效果对比,结果表明串级自抗扰控制精度和位置带宽更高,控制信号噪声较小。为了抑制电流纹波带来的转矩波动、噪声和对位置精度的影响,在单双极性调制电流纹波分析的基础上,推导出了电流纹波幅值与位置精度的关系,进而提出了基于多重化拓扑的音圈电机驱动方案,并得出了电流纹波幅值与多重化模块数的四次方成反比。针对多重化驱动时各相电流不均衡问题,本文提出了一种基于简单采样方式的均流控制策略,实现了各相的均流控制。最后,设计了旋转式音圈电机的硬件驱动系统,通过实验验证了所提出控制策略的可行性和有效性。
【关键词】：旋转式音圈电机 自抗扰控制 多重化 电流纹波 位置伺服控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM359.4
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-10
• 1.2 音圈电机驱动技术研究现状10-14
• 1.2.1 功率放大环节10-12
• 1.2.2 闭环运算环节12-14
• 1.3 音圈电机控制策略研究现状14-16
• 1.4 本课题主要研究内容16-17
• 第2章 旋转式音圈电机数学模型及动态性能分析17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 旋转式音圈电机的数学模型分析17-19
• 2.3 旋转式音圈电机的动态性能19-23
• 2.3.1 旋转式音圈电机的正弦跟踪动态性能19-21
• 2.3.2 旋转式音圈电机的阶跃跟踪动态性能21-23
• 2.4 本章小结23-25
• 第3章 基于自抗扰控制的旋转式音圈电机控制系统性能分析25-47
• 3.1 引言25
• 3.2 自抗扰控制的基本原理25-28
• 3.3 线性自抗扰控制器稳定性分析28-33
• 3.3.1 线性全状态反馈控制律稳定性分析29-30
• 3.3.2 线性扩张状态观测器稳定性分析30-31
• 3.3.3 线性自抗扰控制系统稳定性分析31-33
• 3.4 线性自抗扰控制器性能分析33-46
• 3.4.1 线性扩张观测器性能分析33-39
• 3.4.2 线性反馈控制律性能分析39-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 基于自抗扰控制的旋转式音圈电机控制系统设计47-59
• 4.1 引言47
• 4.2 单级线性自抗扰控制器设计47-53
• 4.2.1 三阶线性扩张状态观测器及反馈控制律设计47-49
• 4.2.2 单级线性自抗扰控制系统仿真分析49-53
• 4.3 串级线性自抗扰控制器设计53-58
• 4.3.1 二阶及一阶线性扩张状态观测器设计54-55
• 4.3.2 线性反馈控制律设计55-56
• 4.3.3 串级线性自抗扰控制系统仿真分析56-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第5章 基于多重化技术的旋转式音圈电机驱动拓扑研究59-76
• 5.1 引言59
• 5.2 单双极性调制及其电流纹波对位置精度的影响59-64
• 5.2.1 单双极性调制及其电流纹波分析59-62
• 5.2.2 电流纹波对电机位置精度的影响62-64
• 5.3 多重化技术及电流纹波分析64-71
• 5.3.1 二重化技术下的音圈电机电枢电流纹波分析65-68
• 5.3.2 n重化技术下的音圈电机电枢电流纹波分析68-71
• 5.4 基于均匀载波移相的多重化逆变均流控制技术71-75
• 5.4.1 均流控制问题的提出71-73
• 5.4.2 均流控制策略与仿真和实验验证73-75
• 5.5 本章小结75-76
• 第6章 旋转式音圈电机驱动控制系统设计与实验76-81
• 6.1 引言76
• 6.2 旋转式音圈电机驱动控制系统硬件设计76-78
• 6.3 旋转式音圈电机驱动控制系统实验验证78-80
• 6.4 本章小结80-81
• 结论81-82
• 参考文献82-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果87-89
• 致谢89

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：996624