大口径望远镜伺服控制系统研究

发布时间：2018-02-28 19:11

本文关键词： 大型望远镜永磁同步电机 CAN总线 CANopen协议频率特性加速度控制滑模控制观测器双电机同步控制　出处：《中国科学院光电技术研究所》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着技术的发展,望远镜的分辨率逐渐提高,口径也日益增大,传统的有刷直流电机在尺寸、功率等方面已经无法满足系统需求。目前,国外GTC、VLT、Subaru和ALMA等大口径望远镜纷纷采用了永磁同步电机弧形拼接的驱动策略。该种驱动方式的电机定子由多块弧形单元拼接组成,并且永磁同步电机无换向刷、效率高且力矩波动小,因此可以满足系统跟踪精度要求。目前,由于直流电机技术成熟稳定,基于交流电机的望远镜伺服系统在国内还几乎没有得到应用。因此,研究如何设计基于交流电机的望远镜伺服控制系统具有重要的工程意义。本文首先阐述了永磁同步电机空间矢量控制方法的坐标变换原理和实现方式,然后在Matlab/Simulink中构建了仿真模型,并进行了系统速度阶跃响应实验,实验表明基于永磁同步电机的伺服系统响应快、波动小、稳定可靠,验证了该矢量控制方法的可行性。将传统的基于RS422/485的伺服系统控制策略与基于现场总线的伺服系统控制策略进行了具体比较,阐明了CAN总线的优势。并对基于CAN总线的CANopen协议进行了深入研究,包括CAN总线物理层、报文协议和应用层等。设计了基于现场总线的伺服系统的硬件架构和CANopen主站软件架构,在搭建的实验平台上进行了相关的通信测试,实验表明基于CANopen协议的伺服控制系统实时性高、可靠性强,能满足系统的需求。在搭建的实验平台上对系统进行了正弦扫频测试,采用离散傅里叶变换的方法获得了系统频率特性并进行了系统模型辨识,在辨识模型的基础上对伺服系统的速度环、位置环分别进行了设计。由于传统的PI控制存在相位滞后的问题,会引起较大的换相误差和跟踪误差,本文研究了引入前馈控制的结构,并通过实验测试表明引入前馈控制后,系统的带宽不会提高但相位滞后得到明显改善,从而提高了系统的响应能力,减小了跟踪误差。分析了影响望远镜跟踪精度的几种扰动:摩擦力矩,风载扰动和力矩波动。为抑制外部扰动对望远镜带来的影响,采用了加速度环的多闭环控制结构。首先,分析了引入加速度环对扰动抑制的影响,然后提出了一种结合低速加速度估计器和牛顿迭代预测的估计器以估计系统加速度。通过在实验平台上进行的实验测试表明,引入加速度环后系统的扰动抑制能力得到了大幅度的提高。由于提出的加速度估计器存在一定的相位滞后,而可直接测量的角加速度传感器造价昂贵,因此,从控制算法角度出发提出基于指数趋近率的滑模控制方法来克服参数变化以及外部扰动对系统的影响。为了能对摩擦进行实时补偿,提出了一种滑模观测器对系统中的扰动进行实时观测估计并补偿。通过在实验平台上进行的实验表明,基于指数趋近率和滑模观测器的控制方法对于系统运行过程中的换相误差抑制效果较为明显。最后阐述了传统的望远镜俯仰轴单电机驱动存在的局限和缺点,并对双电机控制模型进行了分析。和单电机驱动相比,采用双电机驱动能将系统的反谐振频率提高2~(1/2)倍。在现有实验平台上实现了基于CANopen协议的的双电机驱动控制系统,并将多种双电机同步控制策略进行了对比,提出采用PD补偿器对系统的同步误差进行补偿。实验表明双电机控制在带宽和扰动抑制方面比单电机驱动均有提高。
[Abstract]:With the development of the technology , the resolution of the telescope is gradually increased , the caliber is also increasing , the traditional brush direct current motor has not met the demand of the system in terms of size and power . This paper presents a sliding mode control method based on exponential approach rate from the angle of control algorithm to overcome the parameter change and the influence of external disturbance on the system . In order to compensate the friction in real time , a sliding mode observer is proposed to estimate and compensate the disturbance in the system .

【学位授予单位】：中国科学院光电技术研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH743;TP273

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