高频角振动台控制系统设计与研究

发布时间：2020-10-29 08:28

　　 惯性导航在航天,航空,航海领域有广泛的应用,惯性导航的精度受制于惯性仪表的精度,随着对惯性仪表精度要求的提高,对高精度惯性仪表测试设备的需求越来越迫切。角振动台是对惯性仪表与惯性系统进行动态性能测试的高精度测试设备,其输出需要满足可靠性高,精度高,频带宽的特点。为模拟环境中的各种振动作为惯性仪表的输入,测量惯性仪表的动态特性进而建立动态模型,实现误差补偿,提高惯性仪表性能,本文针对的角振动台要求能输出高精度静态速率信号与高精度正弦角振动信号,需要解决力矩波动引起的速率波动,振动过程幅值衰减,相位滞后,摩擦引起的波形失真,控制系统要求高采样频率等技术难题。本文对同步电机矢量控制方法进行分析,建立了电机的动力学模型,分析了力矩波动的传递特性,对电机齿槽力矩波动和电磁力矩波动形成机理进行研究,得出了齿槽力矩波动为电磁力矩的Z次谐波,电磁力矩波动主要为P次以及2nP次谐波,尤其是6P次谐波的结论,从而提出了对波动力矩进行IQ分解,重构出力矩波动进行补偿的算法,通过仿真验证,补偿后力矩波动引起的速率波动减小为补偿前的4%。针对正弦振动过程的难点,分为了两部分进行讨论,一是高频振动过程相位滞后,幅值衰减的问题,提出了四闭环控制器,对期望信号进行闭环,消除了幅值衰减和相位滞后的影响;二是基于Stribeck模型,研究了低频振动下摩擦力矩对波形失真度的影响,设计了重复学习控制器,利用正弦振动下期望输入和扰动都具有周期性的特点,通过循环迭代,使输出收敛到期望的正弦波形,抑制了摩擦力矩的影响。最后通过仿真验证了四闭环控制器与重复学习控制器的控制效果,实现了0.1Hz至100Hz的正弦振动。针对角振动台需要实时性强,采样频率高的控制系统的需求,设计了FPGA+DSP结构的嵌入式运动控制板卡,在DSP内实现控制算法,在FPGA内实现数据的采集,转发以及与惯性系统的同步。最后在现有单轴转台上进行了实验,验证了四闭环控制器与重复学习控制器的控制性能。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN965;TP273
【部分图文】：

图 2-1 基于 FPGA 的同步电机矢量控制系统框图2.4.1 CLARKE 变换CLARKE 变换将静止的 ABC 平面三轴坐标系中的定子三相电流转换到静止的 轴上。转换图示如图 2-2 所示。

图 2-2CLARKE 变换示意图 是三相电流 , ,a b ci i i 的合成矢量， i 流幅值不变，可以得到1 1( )2 2a b ci k i i i

图 2-4 三相桥式逆变电路-4 所示，假设电机定子三相电压为 ( ), ( ), ( )a b cu t u t u t ，满cos(2 )2cos(2 )3a mb mu U ftu U ft
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本文编号：2860641