本文關鍵詞：TMT三鏡交流伺服系統(tǒng)的低速研究　出處：《中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)》2016年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： TMT三鏡 永磁同步電機 低速跟蹤 頻率特性 控制模型辨識 控制策略 干擾建模

【摘要】：隨著望遠鏡分辨率的提高與口徑的逐漸增大,傳統(tǒng)的地基或空間望遠鏡平臺對深空探測目標的低速跟蹤過程、成像質量與成像穩(wěn)定性已經無法滿足新一代大口徑望遠鏡的設計要求。TMT(Thirty Meter Telescope)是主鏡為三十米的地基大口徑光學紅外望遠鏡,其建設目的是為了進一步探索銀河系,實現(xiàn)對未知恒星與行星的相關研究。在跟蹤天文目標的過程中,要求TMT三鏡伺服系統(tǒng)必須實現(xiàn)精確控制且跟蹤速度需要達到角秒級別,這種極低的跟蹤速度也是三鏡伺服系統(tǒng)設計過程中的主要挑戰(zhàn)與設計難點,對望遠鏡驅動方式的選擇、控制模型的辨識精度、控制策略的設計、干擾因素的分析、低速性能評價、電流傳感器與位置傳感器的分辨率等都有極高的要求。在此背景下,本文針對TMT三鏡原理樣機控制系統(tǒng)的設計與低速跟蹤的實現(xiàn)展開了相關的研究和工作。論文首先對國內外大型光學望遠鏡、射電望遠鏡、空間望遠鏡的研究現(xiàn)狀進行了調研,并根據當前大型望遠鏡控制系統(tǒng)的設計指標等情況,對比TMT三鏡系統(tǒng)的跟蹤速度與低速跟蹤精度的要求,引出了大型望遠鏡的復雜化趨勢,以及對于本課題的研究具有十分重要的意義。TMT三鏡原理樣機將采用基于永磁同步力矩電機的直接驅動方式,永磁同步電機以其體積小、輸出力矩大的優(yōu)點,適合在負載轉矩較大的情況下使用,在國內外的大口徑望遠鏡伺服控制系統(tǒng)中取得了廣泛的應用。在對交流電機控制方法的研究中,本文采用了矢量控制方法實現(xiàn)對永磁同步電機的解耦控制,其基本思想是通過坐標變換的方法將交流電機的控制等效為直流力矩電機的控制,然后模擬直流電機轉矩的控制規(guī)律來控制交流電機。并搭建了基于永磁同步力矩電機的仿真模型,實現(xiàn)了對矢量控制方法原理的驗證。論文采用tmt三鏡系統(tǒng)的原理樣機進行了設計方法的驗證,通過建模的方法分析原理樣機伺服系統(tǒng)與結構動態(tài)之間的相互作用關系,得到系統(tǒng)的一階諧振頻率為25hz。為了提高伺服系統(tǒng)指向精度與低速控制精度,以滿足三鏡系統(tǒng)設計指標要求,實驗采用正弦掃頻的方法測試了原理樣機開環(huán)系統(tǒng)與速度閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性,并從頻率特性測試結果估計了系統(tǒng)的結構諧振頻率與閉環(huán)系統(tǒng)的控制帶寬。被控對象模型的準確性是影響控制系統(tǒng)低速性能的主要因素,通過基于頻率特性的測試方法進行系統(tǒng)辨識,得到了系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型并用于控制系統(tǒng)的初步設計中。交流伺服系統(tǒng)由于其非線性、強耦合等因素的存在,使得一些傳統(tǒng)控制策略的設計所取得的控制效果并不理想。文中針對三鏡原理樣機伺服系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的控制策略進行設計,為了達到快速性與準確性的要求,電流環(huán)采用了矢量控制方法,提高了系統(tǒng)的響應速度。速度環(huán)采用了一種基于速度觀測器的低速檢測方法,該方法在克服伺服系統(tǒng)外部干擾力矩的同時,能夠有效的削弱系統(tǒng)內部的測速噪聲,提高了速度回路的低速分辨率,使電機轉速在穩(wěn)態(tài)過程能夠達到較高的控制精度。位置環(huán)采用lqg控制方法實現(xiàn)低速位置跟蹤,位置誤差可以滿足伺服系統(tǒng)對低速位置跟蹤能力以及跟蹤過程中位置抖動的設計指標要求。論文針對低速下影響三鏡伺服系統(tǒng)跟蹤精度的干擾因素進行了建模分析,建立了基于軸承摩擦力矩的lugre摩擦模型與風載干擾力矩模型。并通過搭建基于風載干擾力矩的仿真模型,使風載力矩與電流回路的控制器輸出力矩共同驅動伺服系統(tǒng)的被控對象,并分別分析了開環(huán)與系統(tǒng)閉環(huán)條件下風載力矩對系統(tǒng)指向精度的影響,為后續(xù)三鏡控制系統(tǒng)設計與干擾建模分析奠定了基礎。最后,為了提高望遠鏡系統(tǒng)對天文探測目標的低速跟蹤精度與成像質量,需要對原理樣機伺服系統(tǒng)的低速性能與低速位置跟蹤誤差進行分析。提出了采用高分辨率位置編碼器對低速位置抖動進行分析的方法,通過跟蹤位置斜坡曲線的方式進行了低速跟蹤測試,得到了系統(tǒng)在不同跟蹤速度與方向下的低速抖動測試結果及其功率譜分布,并將測試與分析結果作為評價一個伺服系統(tǒng)低速平穩(wěn)性與低速跟蹤性能的標準。實驗結果表明,低速位置跟蹤實驗的抖動值低于10.5masrms,說明tmt三鏡原理樣機伺服系統(tǒng)具有非常好的低速性能,以及較高的低速位置跟蹤精度。原理樣機的抖動測試結果符合tmt三鏡系統(tǒng)對軸系抖動的設計指標要求。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH751

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