TMT 三镜交流伺服系统的低速研究
第 1 章 绪论
国际上大型天文望远镜主要包括地基光学望远镜、射电望远镜、空间望远镜三种。天文望远镜是用来观测宇宙天体的重要手段，通过对目标星体的观测与成像，深化人类对宇宙的认识，同时也对哲学与物理学等学科的发展做出了重要贡献，，如图 1.1 所示。随着光机电一体化技术的不断发展，自动控制、精密机械等新技术成果的出现，使得天文望远镜经历了几次技术的飞跃，望远镜的口径越做越大，分辨率的需求也不断提高，出现了巨型化与复杂化的发展趋势，其用途也由最初的观测宇宙天体发展成为对空间人造目标的监视定轨以及成像识别[1-2]。
天文台的建设地点主要分布在大气视宁度好的地方。夏威夷岛的莫纳克亚山上聚集了世界上最大的天文观测设备，如图 1.2 所示，这里的海拔为 4205 米，从天文望远镜选址的角度来讲，莫纳克亚山上优良的天文观测条件是天文学家们独一无二的选择，这里的气候干燥、大气层异常稳定，极其有利于对来自天体的红外与亚毫米射线进行测量，是天文观测的宝地。这里人口稀少同时也远离了城市照明的干扰，使得对位于可观测范围边缘的微弱星系的研究成为可能。
莫纳克亚山上的大型望远镜设备分别来自 11 个不同国家，聚光能力可以达到 Palomar 望远镜的 15 倍，达到哈勃空间望远镜的 6 倍。目前，莫纳克亚山上有 13 个望远镜处于观测运行状态[4-7]，其中 9 个为光学/红外望远镜：凯克望远镜(Keck I&II，10 米)[8]、斯巴鲁望远镜(Subaru，8.2 米)[9]、北双子望远镜(Gemini，8 米)[10]、英国红外望远镜(UKIRT，3.8米)、CFHT(Canada-France-Hawaii Telescope，3.6 米)、NASA 红外望远镜(IRTF，3.0 米)、UH2.2m 望远镜、UH0.9m 望远镜。3个为亚毫米波望远镜：CSO 望远镜(Caltech Submillimeter Observatory，10.4 米)、麦克斯韦望远镜(JCMT,15 米)、亚毫米阵列(SMA，8×6 米)。另外 1 个为射电望远镜：VLBA 望远镜(Very Long BaselineArray，25 米)。
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VST(VLT Survey Telescope)是由 OAC 和 ESO 合作完成的 2.6 米口径的地基光学望远镜，位于智利北部的 Cerro Paranal 观测站[13]，如图 1.4 所示。该望远镜采用卡塞格林式光学系统，并通过高精度的跟踪在 16K×16K 的 CCD 探测器OmegaCAM 上稳定成像，方位轴的运行角度范围为-180°~+360°，俯仰轴的运行角度范围为 0°~+95°。VST 望远镜对主轴控制性能的要求包括：轴系最大速度1.5°/s，最大加速度 0.5°/s2，跟踪误差小于 0.1" RMS[14-15]。
控制系统采用基于工业 CAN 总线的分布式控制方式，如图 1.5 所示。方位轴与俯仰轴控制系统的编码器与测速计分别作为望远镜的位置与速度反馈装置，驱动器采用 Moog 公司的 BDM04，集成了过压、过温等保护功能，开关频率可以达到 10KHz，IGBT 模块耐压为 400V，最大输出电流为 70A，通过数字 PWM信号控制IGBT的通断实现对电机输出力矩的控制，达到控制望远镜转速的目的。
闭环控制系统采用基于 VME 计算机的各控制单元组成，包括供电单元、I/O接口、集成有 Motorola 公司 MVME2600 芯片的主控模块、编码器信号处理板卡、16 位 A/D 与 D/A 处理单元等。增量式编码器为 Heidenhain 公司的 4 个读数头的ERO7081，测速计为 Kollmorgen 的 QTG-7201，最大测速值为 17.5rad/s，电机采用 Moog 公司的无刷直流伺服电机 390FCV6，额定输出力矩 461Nm，额定电流22.1A，望远镜单轴采用 4 个电机与 4 个测速计以实现闭环控制[16-17]。10 米口径的 Keck I 与 Keck II 望远镜具有相同的系统设计，具有方位-俯仰的设计结构，如图 1.6 所示，且分别建设于 1990 年和 1996 年，相距 85 米，该望远镜是由加州理工、加州大学以及 NASA 共同完成的一个国际合作项目[18]。
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第 2 章 TMT 三镜交流控制系统原理仿真
交流伺服系统的基本组成部分包括：交流伺服电机、位置反馈单元、电机相电流 A/D 检测单元、位置环控制器、速度环控制器、电流环控制器以及功率驱动单元等。
位置反馈单元
交流伺服系统的位置反馈单元主要用于检测电机的转子位置，常用的位置传感器有高分辨率光电编码器和旋转变压器等。同时，伺服系统处理器可以对位置反馈信号进行微分处理得出电机的旋转速度，作为速度环的反馈信号。
电机相电流检测单元
交流伺服系统中需要对电机的相电流进行控制，目前使用最多的是霍尔电流传感器，它是一种常用的检测电机相电流的装置，将检测到的实时相电流用于电流环的反馈值，目的是使其能够迅速的跟踪上电流的给定值，实现电流的闭环控制。
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2.2.1 永磁同步电机的结构
其基本思想是指在旋转坐标系中把转子磁链作为参考坐标系，将定子电流分解为相互垂直的两个电流分量，一个是与磁链同向的定子电流励磁分量 id，另一个是与励磁电流相垂直的定子电流转矩分量 iq，然后分别对其进行控制，实现对输出转矩的控制，其本质是模拟直流力矩电机转矩的控制方法。矢量控制方法的等效坐标如图 2.2 所示，is为定子电流空间矢量，a-b-c 坐标系为定子三相静止坐标系，α-β 坐标系为两相静止坐标系，定子三相电流产生了一个旋转的磁场，d-q 坐标系随定子磁场同步旋转，d 轴与转子永磁体磁链 Ψf同方向，q 轴与 d 轴相垂直且沿转速方向逆时针超前于 d 轴。
位置环控制器对给定值与位置反馈值的偏差进行校正，将输出量作为速度环的参考输入，目标是实现控制系统的精确定位与稳定跟踪。速度环具有能够有效抑制负载扰动的能力，通过控制电机的加速、减速以及等速的运行方式，达到对速度平稳性的控制，根据速度参考值与速度反馈的差值，经速度环控制器输出后作为电流转矩分量的给定值。对于电流的控制采用了双电流环的控制结构，电机相电流的采集采用霍尔电流传感器，分别调节定子电流的励磁分量与转矩分量跟踪给定值的变化，经过电流环控制器后输出 d 轴与 q 轴的电压 ud、uq，再经过Park 逆变换，根据所采用的空间矢量脉宽调制方法输出功率驱动信号，将母线电压以一定的 PWM 占空比的形式施加到电机上，产生三相定子电流。电流环的作用是使电流的励磁分量与转矩分量能够快速无静差的跟随上电流的参考输入值，这种控制方式能够有效的增强系统抑制干扰的能力，提高系统的响应速度[63]。
在交流调速系统中，采用电压型逆变器对直流母线电压进行调制，逆变器主要由六个功率开关器件组成。由于逆变器上下桥臂的开关状态是互补的，假设定义状态“1”表示功率开关器件导通，状态“0”表示关断，这里只采用上桥臂功率开关器件的状态来描述逆变器的工作状态。三组开关可以组合出 8 种空间电压矢量，如图 2.5 所示，包括 6 个非零电压矢量 V1、V2、V3、V4、V5、V6和 2 个零电压矢量 V0、V7。SVPWM 采用电压平均值等效的调制方法，在每个调制周期内，依据给定电压矢量当前所处的扇区，将其分解为相应扇区中两个相邻的电压矢量，与零电压矢量相结合，通过调整作用时间来合成给定的电压矢量[64-67]。
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3.1 引言 .....................................................39
3.2 TMT 三镜原理样机的机械谐振频率分析 .....................39
第 4 章 TMT 三镜原理样机的控制策略............................57
4.1 引言 ......................................................57
4.2 TMT 三镜原理样机伺服系统电流环设计 .......................58
第 5 章 TMT 三镜控制系统的低速干扰因素.........................79
5.1 引言 .....................................................79
5.2 TMT 三镜系统的摩擦干扰力矩分析 ...........................81
第 6 章 TMT 三镜原理样机的低速性能评价
目前，大口径光学望远镜在极低速运行状态下所面临的主要问题是望远镜机械结构振动与结构力学等问题，被控系统结构振动是观测成像过程中尤其需要重点考虑的问题。望远镜系统在设计过程中会基于各种因素进行考虑，对于 TMT三镜系统来说，设计要求中对系统的重量进行了限制，这将容易导致机械系统内部结构由于刚度低而容易产生变形，导致结构振动。针对基于传感器的被控系统，由于系统结构振动也会导致传感器的分辨率与精度下降，影响伺服系统性能。
针对地基大口径望远镜系统的结构设计与伺服系统设计，往往是为了提高系统对观测目标的低速跟踪精度，提高成像质量，这使得伺服系统在设计阶段就会对低速跟踪模式下的图像抖动提出较高的指标要求。分析系统各组成结构所能引起的抖动也是望远镜设计过程中的必要组成部分，如电机力矩波动带来的抖动、轴承摩擦所引起的系统抖动以及编码器量化误差所引起的系统抖动等[140-143]。而对于望远镜低速跟踪过程的抖动抑制方面，通常所能采取的技术措施包括：增强望远镜支撑结构的阻尼特性，以降低系统对随机振动的响应；对干扰源进行隔离；采用快速反射镜对入射光进行补偿，降低入射光束的抖动。地基大口径望远镜在观测过程中通常都是极低速运行的，在这一过程中要求将低速抖动抑制到一个极低的值，这就需要结合相关干扰抑制的控制技术，以及在控制环路中采取相应的先进控制策略和滤波方法抑制振动，并最终实现望远镜系统观测指标的要求。
文献[144]中介绍了 Subaru 望远镜为提高伺服系统的指向精度所采取的抑制系统振动的措施，采取了对振动谱的分布进行测试与分析的方法。得出其方位轴系在7-9Hz频段的振动与俯仰轴系在5-6Hz频段的振动分别是由相应轴系的增量式编码器的周期性误差激励产生的。针对测试结果，采用了调整控制环路增益与改善滤波的方法，以达到实现抑制望远镜系统振动的目的。实验测试结果表明：将控制环路的增益设计为原来的一半时，能够有效的抑制振动，但导致望远镜系统达到稳态的时间变长，降低了系统对风阻的抑制能力，同时也降低了望远镜的观测效率。
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第 7 章 结论与展望
本文的主要任务是针对 TMT 三镜控制系统的低速性能指标要求，设计了基于永磁同步电机的 TMT 三镜原理样机伺服系统。论文主要对永磁同步电机的矢量控制方法进行了研究，采用正弦扫频方法辨识了被控对象的频率特性与控制模型，完成了电流环、速度环、位置环三闭环系统的控制策略设计，建立了 LuGre 摩擦模型与风载干扰力矩模型，采用高分辨率编码器测试低速抖动的方法验证了系统的低速平稳性与低速位置跟踪精度。仿真与实验结果表明，本课题中所设计的交流伺服系统能够满足控制系统的低速性能要求。主要完成的工作如下：
1. 调研了国内外大型光学望远镜、射电望远镜、空间望远镜控制系统的研究现状，分析了望远镜的设计指标需求与实现方法。介绍了 TMT 三镜伺服控制系统的研究现状，包括控制系统的指标要求、驱动方式设计、控制系统的功能等。
2.对 TMT 三镜原理样机系统进行建模，分析了系统机械结构的谐振频率。为了满足伺服控制系统的设计需要，采用正弦扫频的方法测试伺服系统的频率特性，从系统的开环与速度闭环频率特性测试实验得出，系统的一阶谐振频率为25.5Hz，速度回路的闭环控制带宽为 12.8Hz，并基于频率特性测试结果辨识了系统状态空间模型。
分析了影响伺服系统低速跟踪性能的几类因素，建立了 LuGre 摩擦模型，并通过实验测试的方法辨识了模型的静态参数及其动态参数估计。对于风载干扰力矩进行了建模分析，并通过搭建基于风载干扰力矩的仿真模型，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。
通过位置跟踪实验对低速抖动进行测试与分析，并将其作为评价一个大型望远镜低速平稳性与低速跟踪性能的标准。采用 32 位高分辨率位置编码器测试被控系统的抖动状态，针对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分析，表明了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。
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参考文献（略）
本文编号：106448
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/106448.html
