被动式力矩伺服系统加载策略研究

发布时间：2016-03-25 10:46

第 1 章  绪   论 

1.1  课题背景及研究的目的和意义 
本课题来源于国家自然科学基金资助项目“基于双定子电机的被动式力矩伺服系统驱动与控制”（51077025），黑龙江省自然科学基金资助项目“被动式力矩伺服系统自适应模糊建模与控制策略研究”（E200828）。 在国防、船舶舰载、航空航天领域的科学研究和产品生产中，由于实际工况和负载类型的复杂多变，难以直观地判断产品带载运行时性能的优劣，需要对其进行测试以保证实际运行性能。为了克服基于模型的数学仿真无法完整体现实际工况下系统及其工作状态的多样性和复杂性，实物仿真风险大、研制成本高、研制周期长等问题，半实物仿真[1]得到了学者们的广泛关注及生产厂家的广泛应用[2-6]。半实物仿真能够在实验室条件下，还原系统实际工作状态，得到较为准确和完整的测试数据，在所研制的产品或设备投入实际运行前预先发现其中存在的问题，同时具有良好的可控性、可重复性，大大节约了研制成本和周期[7-11]。 被动式力矩伺服系统作为导航舵系统地面半实物仿真的重要设备，用于模拟其在真实工况下所受的铰链力矩，因此被动式力矩伺服系统也被称为加载系统，舵系统也被称为承载系统。舵系统作为动力学控制的执行机构，其性能直接影响运载器整体性能；而力矩加载系统作为舵系统的检验设备，其性能直接关系到测试结果的可靠性和置信度，是保证型号产品性能的基础。近年来，随着电机制造水平、微电子技术、电力电子技术、计算机技术和现代控制技术的快速发展，舵系统电气化进程不断深入，产品数量和性能不断提升，相应的，对于高性能力矩加载测试设备的需求变得愈加迫切。电动被动式力矩伺服系统（eletrical passive torque servo system，EPTSS）以其参数稳定性好、体积小，结构简单，成本低，维护使用方便及与电动舵系统匹配性好等优点，成为了研究和应用的新方向。先进工业国家不断加大对电动负载模拟技术的研究力度，从最初的实现相关功能逐渐向高精度、高频宽过渡。在我国，电动负载模拟技术研究起步较晚，系统加载性能存在一定差距，但随着需求的增加及研发力度的加大，必将推动其快速发展[12]。 
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1.2  被动式力矩伺服系统概述 
力矩加载系统是以力矩形式为承载位置伺服系统加载，通过对加载力矩的控制实现对负载的模拟。从加载侧看，负载机构受到的传动力矩以及产生的转角、转速等机械量完全由承载机构的运动学行为来决定；而从承载侧看，如果不计运动系统固有阻力，则承载电机输出的力矩分别用于平衡加载系统施加的力矩负荷和使整个运动的机械整体按照某一预定规律做机械运动。这样，加载系统就成为了一种在被承载系统拖动的过程中按一定规律为承载侧施加力矩负荷的系统，系统的控制目标是在“被迫”的运动中实现的。因此，被称为被动式力矩伺服系统。 机械式被动式力矩伺服系统的加载方式是被动加载，承载系统主动运动利用反作用力矩为自身加载。根据工作方式的不同主要分为扭杆式和悬臂梁式[14,15]。以扭杆式为例，其结构如图 1-1 所示。其中主体部分是可替换的具有不同刚度系数及最大线性扭转角的弹性扭杆。加载时根据加载力矩和最大偏角，选用相应弹性扭杆，将扭杆和承载机构刚性固定，加载杆套筒和承载系统底座刚性固定，在加载扭杆上再配以适当的惯量模拟块时，就能完成负载力矩加载和负载惯量的模拟[12]。 
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第 2 章  加载系统电流控制性能提升策略 

2.1  引言 
为了保证加载的准确性，加载系统应该具有比承载系统更为优良的伺服性能。EPTSS 中，加载电机电磁转矩的控制性能——即对电机电流的控制性能，决定了负载力矩外环能够达到的加载频宽和动、静态跟踪性能。为此，有必要提升电流环控制性能。 电流控制的主要目标是确保实际电流能够快速准确地跟踪给定电流，缩短动态跟踪过程，保证稳态精度。同步旋转坐标系下的电流环 PI 控制，因具有稳态无静差的优点，成为电流环控制的主要方式。但坐标变换后产生的交、直轴耦合干扰，使得电流环动态跟踪性能变差，调节时间延长，影响了系统动态加载跟踪速度；逆变器死区和电机齿槽效应造成的电流谐波，使得交直轴电流在PI 调节器下无法完全控制为直流，影响了系统静态加载性能且带来较大噪声。 针对以上问题本文首先建立加载执行机构的数学模型；在此基础上，分析采用 PI 控制、电流解耦 PI 控制及复矢量 PI 控制对动态耦合项干扰的抑制能力及鲁棒性；采用广义积分器抑制电流稳态谐波，分析引入广义积分器结构对电流环稳定性和动态性能的影响。结合电流给定前馈控制，提出一种能够兼顾电流环动态特性和稳态特性的电流环控制方法，并给出了数字化设计方法。 
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2.2  基于复矢量 PI 控制的电流耦合项补偿方法 

在加载系统中，电流环控制回路将外环控制器计算得到的控制指令转化为加载电机轴端输出的电磁力矩，起到承上启下的重要作用。高性能的电流控制回路，不仅能够降低外环控制方法的复杂程度，且能够有效提升系统的加载性能。本节对基于同步旋转坐标系下的电流环 PI 控制展开研究，解决交直轴耦合干扰问题，提升电流环动态响应特性。 而EPTSS通常工作在动态条件下，电流幅值的变化较为剧烈甚至有堵转的情况出现，温度和电流的变化会造成交直轴电感较大改变，，所以难以得到交直轴电感的准确值。此时，采用电流解耦 PI 控制不但无法完全补偿干扰耦合项，甚至在估测电感偏差较大时，还会恶化电流环动态特性。 为了抑制交直轴耦合项的干扰，另外一种解决办法就是通过在电流控制器中构造一个复矢量零点与两相旋转坐标系下的复矢量极点对消。称该控制器为复矢量控制器，其在电机复矢量模型下的控制框图如图 2-4 所示。 

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第 3 章  加载系统速度控制器设计方法 ..... 42 
3.1  引言 ........ 42 
3.2  电动被动式力矩伺服系统总体结构 ........ 42 
3.3  电动被动式力矩伺服系统控制结构分析 ....... 43
3.4  基于机械参数辨识的速度环参数整定方法 ......... 48 
3.5  双惯量系统结构分析及机械谐振的抑制 ....... 59
3.6  实验验证 ....... 66 
3.7  本章小结 ....... 70 
第 4 章  基于比例谐振控制的力矩加载策略 ......... 71 
4.1  引言 ........ 71 
4.2  加入比例谐振控制器的系统控制结构 .... 71 
4.3  比例谐振控制器参数稳定性设计 ...... 74
4.4  比例谐振控制器高精度加载原理 ...... 78 
4.5  模拟三种典型负载力矩 ........ 81 
4.6  基于承载系统速度前馈的补偿方法 ........ 84 
4.7  实验验证 ....... 84 
4.8  本章小结 ....... 89 
第 5 章  采用双定子永磁同步电机的加载策略 ..... 91 
5.1  引言 ........ 91 
5.2  加载电机转动惯量对加载系统的影响 .... 91
5.3  双定子永磁同步电机结构及数学模型 .... 9
5.4  基于双定子永磁同步电机的加载控制策略 ......... 98
5.5  本章小结 ..... 106 

第 5 章  采用双定子永磁同步电机的加载策略 

5.1  引言 
通过对加载系统电流、速度及加载力矩的控制策略研究，有效抑制了电磁转矩脉动、双惯量机械谐振、多余力矩，并提升了加载精度。但控制策略的调节作用受限于加载元件性能，随着加载力矩数量级的提升，加载电机转动惯量显著增加、功率密度下降。在动态加载条件下，电磁转矩中用于克服自身惯性力矩的比重逐渐增大，受电机驱动器及电机容量的制约，加载系统控制器将长时间工作于饱和状态，动态加载性能变差，系统加载带宽显著降低。为了解决上述问题，本章将双定子永磁同步电机引入加载系统，提升加载执行元件的功率密度。 杯型双定子永磁同步电机在有限的电机体积与转子惯量下，充分利用转子内外气隙提升电机磁密，与普通永磁同步电机相比，具有功率密度大、转矩惯量比高、加速度大、转矩波动小、过载能力高、双电气端口等优点。 本章首先分析加载电机惯量对系统带宽的影响；其次介绍双定子永磁同步电机的设计方法、磁路结构并建立了其数学模型；在此基础上，在相同的控制方法下，比较双定子结构与单定子结构的加载效果；充分利用双定子永磁同步电机双电气端口的特性，实现承载系统位置跟踪与力矩加载的解耦控制。 
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结   论 

本文以提升电动被动式力矩伺服系统加载性能为目标，对加载系统的控制结构、控制方法和加载元件展开研究。有效解决了电动被动式力矩伺服系统中存在的加载电机电磁转矩脉动问题、系统鲁棒性问题、机械谐振问题、多余力矩问题、跟踪精度问题及大力矩直驱加载方式下加载力矩频宽较低问题。建立了电动被动式力矩伺服系统数学模型及实验平台，仿真分析和实验结果验证了所提方法的正确性和有效性。论文完成的工作和创新性成果如下： 
（1）提出了一种采用广义积分器的复矢量 PI 控制器并与电流给定前馈相结合的控制方法，提升了加载系统电流环的鲁棒性和动态响应特性，有效抑制了稳态电流谐波。从矢量合成角度出发，采用复矢量 PI 控制器，实现了无电感参数电流解耦控制，改善了电流环动态性能。采用广义积分器有效抑制了电流中的低次谐波，降低了电磁转矩脉动，改善了电流环静态性能。结合电流给定前馈控制有效降低了引入广义积分器后造成的阶跃响应超调，并介绍了控制器数字化实现方法。所提出的方法在兼顾了电流闭环控制的稳定性、对电气参数的鲁棒性、对谐波扰动的抑制能力的同时，保证了电流环动静态品质。 
（2）提出了一种改进的时间平均辨识算法，高精度辨识了加载系统的转动惯量、粘滞系数和库伦摩擦力，解决了对加载对象变更所引起的机械参数变化的适应性问题。相较于力矩、电流两环结构，文中提出的三环控制结合负载力矩前馈补偿结构有效提升了加载系统阻尼系数及内环抗扰性。为了提升系统对机械参数的鲁棒性，对速度环 PI 控制器参数整定方式展开研究，受限于摆角范围及传感器精度，本文提出了基于比例谐振控制的时间平均算法，令系统工作在可实现的特殊运行状态，不依赖位置及速度反馈信号，实现了对转动惯量、粘滞系数、库伦摩擦等机械参数辨识，系统的低通特性保证了辨识精度。此外，分析了承载电机与加载电机构成的双惯量系统动力学特性，采用了自适应陷波器有效解决了控制器饱和时存在的机械谐振问题。 
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参考文献(略)

本文编号：37431