TMT三镜交流伺服系统的低速研究

发布时间：2017-12-23 05:28

本文关键词：TMT三镜交流伺服系统的低速研究　出处：《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着望远镜分辨率的提高与口径的逐渐增大,传统的地基或空间望远镜平台对深空探测目标的低速跟踪过程、成像质量与成像稳定性已经无法满足新一代大口径望远镜的设计要求。TMT(Thirty Meter Telescope)是主镜为三十米的地基大口径光学红外望远镜,其建设目的是为了进一步探索银河系,实现对未知恒星与行星的相关研究。在跟踪天文目标的过程中,要求TMT三镜伺服系统必须实现精确控制且跟踪速度需要达到角秒级别,这种极低的跟踪速度也是三镜伺服系统设计过程中的主要挑战与设计难点,对望远镜驱动方式的选择、控制模型的辨识精度、控制策略的设计、干扰因素的分析、低速性能评价、电流传感器与位置传感器的分辨率等都有极高的要求。在此背景下,本文针对TMT三镜原理样机控制系统的设计与低速跟踪的实现展开了相关的研究和工作。论文首先对国内外大型光学望远镜、射电望远镜、空间望远镜的研究现状进行了调研,并根据当前大型望远镜控制系统的设计指标等情况,对比TMT三镜系统的跟踪速度与低速跟踪精度的要求,引出了大型望远镜的复杂化趋势,以及对于本课题的研究具有十分重要的意义。TMT三镜原理样机将采用基于永磁同步力矩电机的直接驱动方式,永磁同步电机以其体积小、输出力矩大的优点,适合在负载转矩较大的情况下使用,在国内外的大口径望远镜伺服控制系统中取得了广泛的应用。在对交流电机控制方法的研究中,本文采用了矢量控制方法实现对永磁同步电机的解耦控制,其基本思想是通过坐标变换的方法将交流电机的控制等效为直流力矩电机的控制,然后模拟直流电机转矩的控制规律来控制交流电机。并搭建了基于永磁同步力矩电机的仿真模型,实现了对矢量控制方法原理的验证。论文采用tmt三镜系统的原理样机进行了设计方法的验证,通过建模的方法分析原理样机伺服系统与结构动态之间的相互作用关系,得到系统的一阶谐振频率为25hz。为了提高伺服系统指向精度与低速控制精度,以满足三镜系统设计指标要求,实验采用正弦扫频的方法测试了原理样机开环系统与速度闭环系统的频率特性,并从频率特性测试结果估计了系统的结构谐振频率与闭环系统的控制带宽。被控对象模型的准确性是影响控制系统低速性能的主要因素,通过基于频率特性的测试方法进行系统辨识,得到了系统的状态空间模型并用于控制系统的初步设计中。交流伺服系统由于其非线性、强耦合等因素的存在,使得一些传统控制策略的设计所取得的控制效果并不理想。文中针对三镜原理样机伺服系统的电流环、速度环、位置环的控制策略进行设计,为了达到快速性与准确性的要求,电流环采用了矢量控制方法,提高了系统的响应速度。速度环采用了一种基于速度观测器的低速检测方法,该方法在克服伺服系统外部干扰力矩的同时,能够有效的削弱系统内部的测速噪声,提高了速度回路的低速分辨率,使电机转速在稳态过程能够达到较高的控制精度。位置环采用lqg控制方法实现低速位置跟踪,位置误差可以满足伺服系统对低速位置跟踪能力以及跟踪过程中位置抖动的设计指标要求。论文针对低速下影响三镜伺服系统跟踪精度的干扰因素进行了建模分析,建立了基于轴承摩擦力矩的lugre摩擦模型与风载干扰力矩模型。并通过搭建基于风载干扰力矩的仿真模型,使风载力矩与电流回路的控制器输出力矩共同驱动伺服系统的被控对象,并分别分析了开环与系统闭环条件下风载力矩对系统指向精度的影响,为后续三镜控制系统设计与干扰建模分析奠定了基础。最后,为了提高望远镜系统对天文探测目标的低速跟踪精度与成像质量,需要对原理样机伺服系统的低速性能与低速位置跟踪误差进行分析。提出了采用高分辨率位置编码器对低速位置抖动进行分析的方法,通过跟踪位置斜坡曲线的方式进行了低速跟踪测试,得到了系统在不同跟踪速度与方向下的低速抖动测试结果及其功率谱分布,并将测试与分析结果作为评价一个伺服系统低速平稳性与低速跟踪性能的标准。实验结果表明,低速位置跟踪实验的抖动值低于10.5masrms,说明tmt三镜原理样机伺服系统具有非常好的低速性能,以及较高的低速位置跟踪精度。原理样机的抖动测试结果符合tmt三镜系统对轴系抖动的设计指标要求。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH751

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