本文關(guān)鍵詞： 大型望遠(yuǎn)鏡 永磁同步電機(jī) CAN總線 CANopen協(xié)議 頻率特性 加速度控制 滑�？刂� 觀測(cè)器 雙電機(jī)同步控制　出處：《中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著技術(shù)的發(fā)展,望遠(yuǎn)鏡的分辨率逐漸提高,口徑也日益增大,傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)在尺寸、功率等方面已經(jīng)無(wú)法滿足系統(tǒng)需求。目前,國(guó)外GTC、VLT、Subaru和ALMA等大口徑望遠(yuǎn)鏡紛紛采用了永磁同步電機(jī)弧形拼接的驅(qū)動(dòng)策略。該種驅(qū)動(dòng)方式的電機(jī)定子由多塊弧形單元拼接組成,并且永磁同步電機(jī)無(wú)換向刷、效率高且力矩波動(dòng)小,因此可以滿足系統(tǒng)跟蹤精度要求。目前,由于直流電機(jī)技術(shù)成熟穩(wěn)定,基于交流電機(jī)的望遠(yuǎn)鏡伺服系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)還幾乎沒(méi)有得到應(yīng)用。因此,研究如何設(shè)計(jì)基于交流電機(jī)的望遠(yuǎn)鏡伺服控制系統(tǒng)具有重要的工程意義。本文首先闡述了永磁同步電機(jī)空間矢量控制方法的坐標(biāo)變換原理和實(shí)現(xiàn)方式,然后在Matlab/Simulink中構(gòu)建了仿真模型,并進(jìn)行了系統(tǒng)速度階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明基于永磁同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)響應(yīng)快、波動(dòng)小、穩(wěn)定可靠,驗(yàn)證了該矢量控制方法的可行性。將傳統(tǒng)的基于RS422/485的伺服系統(tǒng)控制策略與基于現(xiàn)場(chǎng)總線的伺服系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了具體比較,闡明了CAN總線的優(yōu)勢(shì)。并對(duì)基于CAN總線的CANopen協(xié)議進(jìn)行了深入研究,包括CAN總線物理層、報(bào)文協(xié)議和應(yīng)用層等。設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的伺服系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和CANopen主站軟件架構(gòu),在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了相關(guān)的通信測(cè)試,實(shí)驗(yàn)表明基于CANopen協(xié)議的伺服控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高、可靠性強(qiáng),能滿足系統(tǒng)的需求。在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了正弦掃頻測(cè)試,采用離散傅里葉變換的方法獲得了系統(tǒng)頻率特性并進(jìn)行了系統(tǒng)模型辨識(shí),在辨識(shí)模型的基礎(chǔ)上對(duì)伺服系統(tǒng)的速度環(huán)、位置環(huán)分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)。由于傳統(tǒng)的PI控制存在相位滯后的問(wèn)題,會(huì)引起較大的換相誤差和跟蹤誤差,本文研究了引入前饋控制的結(jié)構(gòu),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明引入前饋控制后,系統(tǒng)的帶寬不會(huì)提高但相位滯后得到明顯改善,從而提高了系統(tǒng)的響應(yīng)能力,減小了跟蹤誤差。分析了影響望遠(yuǎn)鏡跟蹤精度的幾種擾動(dòng):摩擦力矩,風(fēng)載擾動(dòng)和力矩波動(dòng)。為抑制外部擾動(dòng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡帶來(lái)的影響,采用了加速度環(huán)的多閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。首先,分析了引入加速度環(huán)對(duì)擾動(dòng)抑制的影響,然后提出了一種結(jié)合低速加速度估計(jì)器和牛頓迭代預(yù)測(cè)的估計(jì)器以估計(jì)系統(tǒng)加速度。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,引入加速度環(huán)后系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制能力得到了大幅度的提高。由于提出的加速度估計(jì)器存在一定的相位滯后,而可直接測(cè)量的角加速度傳感器造價(jià)昂貴,因此,從控制算法角度出發(fā)提出基于指數(shù)趨近率的滑�？刂品椒▉�(lái)克服參數(shù)變化以及外部擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。為了能對(duì)摩擦進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,提出了一種滑模觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)中的擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)估計(jì)并補(bǔ)償。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明,基于指數(shù)趨近率和滑模觀測(cè)器的控制方法對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的換相誤差抑制效果較為明顯。最后闡述了傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡俯仰軸單電機(jī)驅(qū)動(dòng)存在的局限和缺點(diǎn),并對(duì)雙電機(jī)控制模型進(jìn)行了分析。和單電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比,采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)能將系統(tǒng)的反諧振頻率提高2~(1/2)倍。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了基于CANopen協(xié)議的的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),并將多種雙電機(jī)同步控制策略進(jìn)行了對(duì)比,提出采用PD補(bǔ)償器對(duì)系統(tǒng)的同步誤差進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)表明雙電機(jī)控制在帶寬和擾動(dòng)抑制方面比單電機(jī)驅(qū)動(dòng)均有提高。
[Abstract]:With the development of the technology , the resolution of the telescope is gradually increased , the caliber is also increasing , the traditional brush direct current motor has not met the demand of the system in terms of size and power . This paper presents a sliding mode control method based on exponential approach rate from the angle of control algorithm to overcome the parameter change and the influence of external disturbance on the system . In order to compensate the friction in real time , a sliding mode observer is proposed to estimate and compensate the disturbance in the system .

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH743;TP273

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本文編號(hào)：1548576