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

  更多相關(guān)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(biāo)的低速跟蹤過程、成像質(zhì)量與成像穩(wěn)定性已經(jīng)無法滿足新一代大口徑望遠鏡的設(shè)計要求。TMT(Thirty Meter Telescope)是主鏡為三十米的地基大口徑光學(xué)紅外望遠鏡,其建設(shè)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(guān)研究。在跟蹤天文目標(biāo)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(shè)計過程中的主要挑戰(zhàn)與設(shè)計難點,對望遠鏡驅(qū)動方式的選擇、控制模型的辨識精度、控制策略的設(shè)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(shè)計與低速跟蹤的實現(xiàn)展開了相關(guān)的研究和工作。論文首先對國內(nèi)外大型光學(xué)望遠鏡、射電望遠鏡、空間望遠鏡的研究現(xiàn)狀進行了調(diào)研,并根據(jù)當(dāng)前大型望遠鏡控制系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)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(fù)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(qū)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(zhuǎn)矩較大的情況下使用,在國內(nèi)外的大口徑望遠鏡伺服控制系統(tǒng)中取得了廣泛的應(yīng)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(biāo)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(zhuǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)動態(tài)之間的相互作用關(guān)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(shè)計指標(biāo)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(jié)果估計了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率與閉環(huán)系統(tǒng)的控制帶寬。被控對象模型的準(zhǔn)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(shè)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(shè)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(shè)計,為了達到快速性與準(zhǔn)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(yīng)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(nèi)部的測速噪聲,提高了速度回路的低速分辨率,使電機轉(zhuǎn)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(shè)計指標(biāo)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(fēng)載干擾力矩模型。并通過搭建基于風(fēng)載干擾力矩的仿真模型,使風(fēng)載力矩與電流回路的控制器輸出力矩共同驅(qū)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(fēng)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(shè)計與干擾建模分析奠定了基礎(chǔ)。最后,為了提高望遠鏡系統(tǒng)對天文探測目標(biāo)的低速跟蹤精度與成像質(zhì)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(jié)果及其功率譜分布,并將測試與分析結(jié)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(biāo)準(zhǔn)。實驗結(jié)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(jié)果符合tmt三鏡系統(tǒng)對軸系抖動的設(shè)計指標(biāo)要求。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH751

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本文編號：1322616