高精度音圈电机电流环关键技术研究

发布时间：2020-08-27 21:20

【摘要】：近十几年来,航天对地观测技术的快速发展使得空间卫星系统的光学观测指标越来越高,光学载荷对星载活动部件正常工作带来的微振动环境越来越敏感。音圈电机作为卫星平台隔振器的核心执行器,其出力精度直接影响着整个卫星平台的隔振性能。在音圈电机的位置、速度、电流环三环中,电流环的电流精度直接与电机的出力精度相关,同时,电流环作为三环控制的最内环,其品质的好坏决定了整个控制系统的性能指标。因此,高精度的电流环控制技术成为了研制高性能隔振系统所需的关键技术之一。卫星平台隔振器的应用背景对音圈电机提出了大推力的要求,在电流环上体现为大额定电流,使得传统的基于模拟器件的电流控制方案难以使用。本文以开关型方案为基础,建立了音圈电机电流环的理论模型,通过分析,将高精度的电流控制技术的实现分为三个部分:强EMI环境下的高精度电流采样、输出电流的纹波抑制、外界对电流环扰动的抑制。在电流反馈方面,兼顾高精度与航天器背景带来的体积约束,采用分流器法作为电流采样方案,本文分析对比了分流器电阻不同接入位置对电流检测精度的影响,建立了分流器及后续器件的电流检测误差模型,将误差分为可补偿的静态误差和难以补偿的动态误差,并指出分流器法存在的小电流误差大的缺点。针对可补偿的静态误差,利用高精度数字电流表的测量值结合最小二乘法设计补偿函数,通过实验验证静态误差补偿的有效性;针对分流器法小电流误差大的缺点,提出基于采样电流及其导数的反馈回路增益切换逻辑,利用高增益抑制小电流误差并避免频繁切换增益对电流检测的影响。为抑制高频采样噪声的影响,并为增益切换逻辑提供电流导数值,采样ADRC方法中的TD跟踪微分器作为电流滤波器,通过仿真和实验分析其滤波性能、响应速度和剔除假值的能力。在纹波抑制方面,为了减少输出电流纹波,本文建立了基于双极性PWM调制环境下的输出电流纹波模型,经过分析,采用两种方法来减少输出电流纹波:提高开关频率、改变有效占空比。在提高开关频率方面,利用新器件GaN在高开关频率环境下应用的优势,取代传统的Si MOSFET作为功率器件。为解决高频率的GaN器件存在着门级驱动电压安全范围狭窄和共模源极电感带来的误导通问题,设计驱动回路面积优化方法和基于磁通相消法的母线电容配置方法以抑制寄生电感,通过实验对比优化前后的振荡电压抑制能力。同时,对分流器电阻的寄生电感带来的额外共模源极电感,设计“浮地”的驱动拓扑,使分流器电阻的寄生电感与共模源极电感隔离。在扰动补偿方面,通过对音圈电机电流环模型的分析,将高开关频率下的电流环的扰动来源定位为死区扰动,本文建立了音圈电机电流环的死区模型,在已有PI调节器的基础上,将死区对电流的影响定位为电流过零点附近的失真现象。为解决阶跃式的平均电压死区补偿方法和PI调节器配合使用时出现的电流振荡现象,本文给出了渐变型的平均电压死区补偿方法,通过TD跟踪微分器求得的电流导数值来判定电流极性的有效性,增大了死区补偿范围,解决了电流振荡的现象并对死区效应起到了一定的抑制作用。研制高性能音圈电机电流环驱动器,设计其关键硬件电路与软件工作流程,通过对本文提出方案进行实验研究,进一步验证理论分析的正确性与有效性。
【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】：2019
【分类号】：V442
【图文】：

离线测量,数据,电流测量

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文平台的连接方式如图 2-7 所示，在本课题中，使用精度的电流测量仪器，驱动器通过 RS422 通讯接口反馈环节的电流测量值发送给 PC 进行存储，同时得的电流值通过 GPIB 接口发送给 PC 机，在 PC 机上 labview 测量的电流值减去电流反馈环节测量的电流测量误差，配合对应时刻的电流给定值，即可得节测量误差的关系。

分布图,拟合误差,分布图,多项式

2 3y 1.3420 10 1.0046 10x + 2 3 8 2y 1.5012 10 1.0047 10 x 1.8728 10x + 2 3 8 2 1.5012 10 1.0046 10 x 1.8728 10 x 6.4614 1 + 最大误差和均方根差来衡量拟合效果，下表 2-2 为对比。表 2-2 不同阶数拟合效果对比阶数最大误差（mA）均多项式 0.0288 7.9多项式 0.0292 7.8多项式 0.0275 7.7，提高拟合阶数并不会明显地提升拟合效果，这意绝大部分，高阶误差项远远小于一次项，这与前文见式（2-5）。因此，为简化后续补偿函数参数的计合，其误差分布如图 2-9 所示。

后测,误差,动态误差,静态误差

a）校正前后对比 b）校正后测量误差图 2-10 校正后测量误差在±500mA 电流指令范围内进行校正后，电流测量误差从 0.5112mA 降低至 0.0294mA，减少了 94.2%，这意味着采用分流器法进行电流测量时，对测量环节进行校正能够极大地提高测量精度，说明校正环节是有效且必要的。进一步分析，在校正过程中电流测量数据既受静态误差影响，又叠加有动态误差，这里将测量数据视为仅受静态误差影响是合理的，主要原因如下：（1）动态误差由外界环境和器件本身决定，在相同的环境下，动态误差的参数也是固定的。在和驱动器工作环境类似的环境下，校正后的补偿函数不仅能补偿静态误差，同时也补偿了一部分动态误差；（2）动态误差的占比远远小于静态误差，即使动态误差的参数由于工作环境变化而改变，其影响也远小于未补偿的静态误差。对于本课题的电流反馈环节而言，静态误差主要由分流器电阻环节中的电阻容差和接触电阻提供，上限为 0.5%，是动态误差上限的 39 倍。当然，若工作环境变化，动态误差的参数势必会随之变化，原有的校正效果便会减弱。因此，为了更好的发挥驱动器性能，每次更换工作环境，需要重

【相似文献】