基于永磁同步电机的望远镜上轴调速系统研究

发布时间：2020-10-26 22:04

　　 随着望远镜口径的增大和负载的增加,对低速传动能力的要求也不断增强,从传统的蜗轮蜗杆、齿轮驱动变为由力矩大、低速性能好、体积小的伺服电机直接驱动。永磁同步电机以其力矩大、体积小、效率高,低速性能好等优点成为直驱电机的良好选择。永磁同步电机直接驱动望远镜主轴转台,其控制直接影响望远镜观测性能。永磁同步电机控制系统属于交流传动的范畴,控制系统较复杂,因此有必要研究永磁同步电机的控制系统以及提高控制系统的性能。本文在研究了永磁同步电机驱动原理后选用表贴式永磁同步电机且采用矢量控制中_di=0的控制方式,达到类似直流电机的控制特性。分析了将直流电变为交流电的空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法。在研究了目前伺服硬件系统组成基础上,针对系统组成的各环节特性,利用电机参数、谐振频率等信息设计传统的PI速度控制器和PI电流控制器,并建立了仿真模型,得到系统传递函数和控制器参数。针对传统PI控制器对参数摄动敏感问题,研究了鲁棒性强、动态响应好的滑模变结构控制方法,并将此控制器用在了速度环上,针对滑模变结构开关函数带来的速度控制量抖振的问题,采用新的结构简单、平滑且附带边界层大小的开关函数,使抖振量在一个很小的范围内波动,从而减小了滑模带来的抖振问题;针对电机运行过程中遇到的摩擦转矩以及风阻力矩等不确定性扰动,基于Luenberger观测器设计了一种PI状态观测器,该观测器能够很好的观测出负载扰动力矩,从而前馈补偿到电流环,降低转矩的波动。在控制器设计基础上,将算法移植到DSP程序中,得到实验结果,验证了所提算法的有效性。
【学位单位】：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)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH743
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 永磁同步电机研究现状
    1.3 PMSM伺服硬件系统发展现状
    1.4 本文所做的研究工作以及本文架构安排
第二章 永磁同步电机结构及控制方式
    2.1 引言
    2.2 永磁同步电机结构及特点
    2.3 永磁同步电机数学模型
    2.4 永磁同步电机的几种控制方式
        2.4.1 恒压频比控制
        2.4.2 直接转矩控制
        2.4.3 矢量控制
    2.5 永磁同步电机矢量控制原理
        2.5.1 磁场定向控制坐标变换
        2.5.2 矢量控制的几种控制方式
    2.6 空间矢量脉宽调制
        2.6.1 判断电压所在扇区
        2.6.2 计算基本扇区作用时间
        2.6.3 逆变器导通占空比计算
    2.7 本章小结
第三章 伺服转台控制器设计及仿真
    3.1 引言
    3.2 系统主电路结构
    3.3 基于DSP+FPGA伺服系统
    3.4 PI电流环设计
    3.5 PI速度环设计
    3.6 本章小结
第四章 改进型滑模变结构控制
    4.1 引言
    4.2 滑模变结构控制
        4.2.1 滑模控制原理
        4.2.2 滑模控制基本理论
        4.2.3 一般滑模控制器设计
        4.2.4 新型饱和函数的提出
        4.2.5 基于新型饱和函数滑模控制器速度环仿真
    4.3 新型饱和函数滑模控制器实验及分析
    4.4 本章小结
第五章 比例积分观测器设计及扰动补偿
    5.1 引言
    5.2 观测器基本原理与分类
    5.3 Luenberger观测器原理
    5.4 含有未知输入的状态观测器
        5.4.1 含有负载的Luenberger观测器
        5.4.2 PI观测器原理与存在性条件
        5.4.3 基于新型饱和函数和PI观测器的滑模速度控制仿真与实验..
        5.4.4 实验分析
    5.5 小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 本文创新工作
    6.3 展望
参考文献
致谢
作者简介
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本文编号：2857573