基座系统驱动电机转速控制方法研究

发布时间：2020-10-20 15:08

　　 为了在地面模拟航天器的空间运动,研究人员提出可以将航天器的空间运动等效变换为地面参考运动,进而可以通过满足给定位置和速度需求的地面移动基座的轨迹跟踪控制,来实现航天器轨道运动的地面模拟,从而降低空间运动模拟的成本,提升开发效率。本文针对移动基座系统底层执行电机的转速跟踪控制展开研究。由于移动基座在运动过程中需要同时满足给定的位置和速度需求,因此,电机在低速区的运动是很难避免的,但是有刷直流电机在低速区的高精度转速控制较难实现,这主要是由于在低速区扰动对电机的转速跟踪产生了不利影响。因此基于移动基座执行器驱动电机宽调速、高精度的需求,提出了基于强化学习的有刷直流电机自适应鲁棒非线性控制方法,以此解决有刷直流电机系统的低速扰动抑制问题,提升转速的跟踪精度。首先,根据有刷直流电机的结构及原理,给出了包含电枢回路模型和刚体动力学模型的电机动力学模型,分析了有刷直流电机低速波动及动态过程中产生死区、爬行等现象的原因。针对LuGre摩擦力矩的非线性特性,为了避免观测器在高转速工况下估计LuGre动态摩擦力模型未知状态时产生的失稳现象,改进了LuGre动态摩擦力模型,使其在高低转速下都能够很好的描述摩擦行为,并且能够避免观测器的失稳现象;针对齿槽转矩的非线性特性,将齿槽转矩用占据主导作用的一阶谐波分量代替,通过快速傅立叶变换确定了齿槽转矩基频,推导具有仿射形式的齿槽转矩模型。进而,建立了面向控制的电机非线性动力学模型。然后,针对有刷直流电机系统的非线性、参数不确定性,提出了基于强化学习的有刷直流电机自适应鲁棒非线性控制方法。为了精确补偿有刷直流电机的齿槽转矩和摩擦力矩,考虑到模型参数的不确定性,基于自适应鲁棒控制方法设计了参数自适应律,在线辨识模型参数。针对系统中存在的建模误差和系统负载等未知扰动,采用基于强化学习Actor-Critic方法的扰动估计方法,在线估计未知扰动。利用有刷直流电机电流环、转速环系统的微分平坦特性,设计了基于微分平坦的二自由度电流环和转速环控制器。最后,为了验证本文所设计有刷直流电机转速控制方法的有效性和优越性,基于dSPACE的电机快速原型试验平台,设计了电机系统的相关硬件电路。通过不同的稳态及瞬态工况下的实验,验证了本文方法的有效性。并且进行了与双环PID控制方法、自适应鲁棒控制方法的控制性能对比。实验结果表明,本文所设计的基于强化学习的有刷直流电机自适应鲁棒控制方法具有更好的稳态及瞬态控制性能。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V416.8
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 基座系统驱动电机
    1.3 有刷直流电机转速控制系统研究现状
        1.3.1 国内外相关产品的研究现状
        1.3.2 国内外控制策略的研究现状
    1.4 本文主要研究内容
第2章 有刷直流电机的动力学建模
    2.1 引言
    2.2 移动基座执行器驱动电机控制需求
    2.3 有刷直流电机的结构
    2.4 有刷直流电机的数学模型
        2.4.1 有刷直流电机的电动势模型及电磁转矩模型
        2.4.2 有刷直流电机的机电动力学建模
        2.4.3 有刷直流电机的非线性动力学建模
    2.5 本章小结
第3章 有刷直流电机转速控制系统设计
    3.1 引言
    3.2 控制问题分析
    3.3 面向控制的电机控制系统模型
    3.4 基本理论知识
        3.4.1 自适应鲁棒控制
        3.4.2 强化学习算法
        3.4.3 微分平坦理论
    3.5 基于强化学习的有刷直流电机自适应鲁棒控制器设计
        3.5.1 控制问题描述
        3.5.2 模型参数自适应鲁棒控制律设计
        3.5.3 基于强化学习的未知扰动估计补偿策略
        3.5.4 基于微分平坦的二自由度控制器设计
    3.6 本章小结
第4章 快速原型实验分析与验证
    4.1 快速原型实验平台搭建
        4.1.1 dSPACE实时系统介绍
        4.1.2 快速原型实验平台硬件
    4.2 快速原型实验结果与分析
        4.2.1 控制性能验证
        4.2.2 对比实验验证
    4.3 本章小结
第5章 全文总结与展望
    5.1 全文工作总结
    5.2 未来工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间的研究成果
致谢

【参考文献】

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本文编号：2848834