【摘要】：近十幾年來(lái),航天對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展使得空間衛(wèi)星系統(tǒng)的光學(xué)觀測(cè)指標(biāo)越來(lái)越高,光學(xué)載荷對(duì)星載活動(dòng)部件正常工作帶來(lái)的微振動(dòng)環(huán)境越來(lái)越敏感。音圈電機(jī)作為衛(wèi)星平臺(tái)隔振器的核心執(zhí)行器,其出力精度直接影響著整個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)的隔振性能。在音圈電機(jī)的位置、速度、電流環(huán)三環(huán)中,電流環(huán)的電流精度直接與電機(jī)的出力精度相關(guān),同時(shí),電流環(huán)作為三環(huán)控制的最內(nèi)環(huán),其品質(zhì)的好壞決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。因此,高精度的電流環(huán)控制技術(shù)成為了研制高性能隔振系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)之一。衛(wèi)星平臺(tái)隔振器的應(yīng)用背景對(duì)音圈電機(jī)提出了大推力的要求,在電流環(huán)上體現(xiàn)為大額定電流,使得傳統(tǒng)的基于模擬器件的電流控制方案難以使用。本文以開(kāi)關(guān)型方案為基礎(chǔ),建立了音圈電機(jī)電流環(huán)的理論模型,通過(guò)分析,將高精度的電流控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)分為三個(gè)部分:強(qiáng)EMI環(huán)境下的高精度電流采樣、輸出電流的紋波抑制、外界對(duì)電流環(huán)擾動(dòng)的抑制。在電流反饋方面,兼顧高精度與航天器背景帶來(lái)的體積約束,采用分流器法作為電流采樣方案,本文分析對(duì)比了分流器電阻不同接入位置對(duì)電流檢測(cè)精度的影響,建立了分流器及后續(xù)器件的電流檢測(cè)誤差模型,將誤差分為可補(bǔ)償?shù)撵o態(tài)誤差和難以補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)誤差,并指出分流器法存在的小電流誤差大的缺點(diǎn)。針對(duì)可補(bǔ)償?shù)撵o態(tài)誤差,利用高精度數(shù)字電流表的測(cè)量值結(jié)合最小二乘法設(shè)計(jì)補(bǔ)償函數(shù),通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證靜態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)挠行?針對(duì)分流器法小電流誤差大的缺點(diǎn),提出基于采樣電流及其導(dǎo)數(shù)的反饋回路增益切換邏輯,利用高增益抑制小電流誤差并避免頻繁切換增益對(duì)電流檢測(cè)的影響。為抑制高頻采樣噪聲的影響,并為增益切換邏輯提供電流導(dǎo)數(shù)值,采樣ADRC方法中的TD跟蹤微分器作為電流濾波器,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)分析其濾波性能、響應(yīng)速度和剔除假值的能力。在紋波抑制方面,為了減少輸出電流紋波,本文建立了基于雙極性PWM調(diào)制環(huán)境下的輸出電流紋波模型,經(jīng)過(guò)分析,采用兩種方法來(lái)減少輸出電流紋波:提高開(kāi)關(guān)頻率、改變有效占空比。在提高開(kāi)關(guān)頻率方面,利用新器件GaN在高開(kāi)關(guān)頻率環(huán)境下應(yīng)用的優(yōu)勢(shì),取代傳統(tǒng)的Si MOSFET作為功率器件。為解決高頻率的GaN器件存在著門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓安全范圍狹窄和共模源極電感帶來(lái)的誤導(dǎo)通問(wèn)題,設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)回路面積優(yōu)化方法和基于磁通相消法的母線電容配置方法以抑制寄生電感,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比優(yōu)化前后的振蕩電壓抑制能力。同時(shí),對(duì)分流器電阻的寄生電感帶來(lái)的額外共模源極電感,設(shè)計(jì)“浮地”的驅(qū)動(dòng)拓?fù)?使分流器電阻的寄生電感與共模源極電感隔離。在擾動(dòng)補(bǔ)償方面,通過(guò)對(duì)音圈電機(jī)電流環(huán)模型的分析,將高開(kāi)關(guān)頻率下的電流環(huán)的擾動(dòng)來(lái)源定位為死區(qū)擾動(dòng),本文建立了音圈電機(jī)電流環(huán)的死區(qū)模型,在已有PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上,將死區(qū)對(duì)電流的影響定位為電流過(guò)零點(diǎn)附近的失真現(xiàn)象。為解決階躍式的平均電壓死區(qū)補(bǔ)償方法和PI調(diào)節(jié)器配合使用時(shí)出現(xiàn)的電流振蕩現(xiàn)象,本文給出了漸變型的平均電壓死區(qū)補(bǔ)償方法,通過(guò)TD跟蹤微分器求得的電流導(dǎo)數(shù)值來(lái)判定電流極性的有效性,增大了死區(qū)補(bǔ)償范圍,解決了電流振蕩的現(xiàn)象并對(duì)死區(qū)效應(yīng)起到了一定的抑制作用。研制高性能音圈電機(jī)電流環(huán)驅(qū)動(dòng)器,設(shè)計(jì)其關(guān)鍵硬件電路與軟件工作流程,通過(guò)對(duì)本文提出方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的正確性與有效性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：V442
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文平臺(tái)的連接方式如圖 2-7 所示，在本課題中，使用精度的電流測(cè)量?jī)x器，驅(qū)動(dòng)器通過(guò) RS422 通訊接口反饋環(huán)節(jié)的電流測(cè)量值發(fā)送給 PC 進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)得的電流值通過(guò) GPIB 接口發(fā)送給 PC 機(jī)，在 PC 機(jī)上 labview 測(cè)量的電流值減去電流反饋環(huán)節(jié)測(cè)量的電流測(cè)量誤差，配合對(duì)應(yīng)時(shí)刻的電流給定值，即可得節(jié)測(cè)量誤差的關(guān)系。

2 3y 1.3420 10 1.0046 10x + 2 3 8 2y 1.5012 10 1.0047 10 x 1.8728 10x + 2 3 8 2 1.5012 10 1.0046 10 x 1.8728 10 x 6.4614 1 + 最大誤差和均方根差來(lái)衡量擬合效果，下表 2-2 為對(duì)比。表 2-2 不同階數(shù)擬合效果對(duì)比階數(shù) 最大誤差（mA） 均多項(xiàng)式 0.0288 7.9多項(xiàng)式 0.0292 7.8多項(xiàng)式 0.0275 7.7，提高擬合階數(shù)并不會(huì)明顯地提升擬合效果，這意絕大部分，高階誤差項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一次項(xiàng)，這與前文見(jiàn)式（2-5）。因此，為簡(jiǎn)化后續(xù)補(bǔ)償函數(shù)參數(shù)的計(jì)合，其誤差分布如圖 2-9 所示。

a） 校正前后對(duì)比 b） 校正后測(cè)量誤差圖 2-10 校正后測(cè)量誤差在±500mA 電流指令范圍內(nèi)進(jìn)行校正后，電流測(cè)量誤差從 0.5112mA 降低至 0.0294mA，減少了 94.2%，這意味著采用分流器法進(jìn)行電流測(cè)量時(shí)，對(duì)測(cè)量環(huán)節(jié)進(jìn)行校正能夠極大地提高測(cè)量精度，說(shuō)明校正環(huán)節(jié)是有效且必要的。進(jìn)一步分析，在校正過(guò)程中電流測(cè)量數(shù)據(jù)既受靜態(tài)誤差影響，又疊加有動(dòng)態(tài)誤差，這里將測(cè)量數(shù)據(jù)視為僅受靜態(tài)誤差影響是合理的，主要原因如下：（1）動(dòng)態(tài)誤差由外界環(huán)境和器件本身決定，在相同的環(huán)境下，動(dòng)態(tài)誤差的參數(shù)也是固定的。在和驅(qū)動(dòng)器工作環(huán)境類(lèi)似的環(huán)境下，校正后的補(bǔ)償函數(shù)不僅能補(bǔ)償靜態(tài)誤差，同時(shí)也補(bǔ)償了一部分動(dòng)態(tài)誤差；（2）動(dòng)態(tài)誤差的占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜態(tài)誤差，即使動(dòng)態(tài)誤差的參數(shù)由于工作環(huán)境變化而改變，其影響也遠(yuǎn)小于未補(bǔ)償?shù)撵o態(tài)誤差。對(duì)于本課題的電流反饋環(huán)節(jié)而言，靜態(tài)誤差主要由分流器電阻環(huán)節(jié)中的電阻容差和接觸電阻提供，上限為 0.5%，是動(dòng)態(tài)誤差上限的 39 倍。當(dāng)然，若工作環(huán)境變化，動(dòng)態(tài)誤差的參數(shù)勢(shì)必會(huì)隨之變化，原有的校正效果便會(huì)減弱。因此，為了更好的發(fā)揮驅(qū)動(dòng)器性能，每次更換工作環(huán)境，需要重

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