第 1 章 緒論

1.1 課題的研究背景及意義

國際上大型天文望遠(yuǎn)鏡主要包括地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡、空間望遠(yuǎn)鏡三種。天文望遠(yuǎn)鏡是用來觀測宇宙天體的重要手段，通過對目標(biāo)星體的觀測與成像，深化人類對宇宙的認(rèn)識，同時也對哲學(xué)與物理學(xué)等學(xué)科的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，，如圖 1.1 所示。隨著光機(jī)電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動控制、精密機(jī)械等新技術(shù)成果的出現(xiàn)，使得天文望遠(yuǎn)鏡經(jīng)歷了幾次技術(shù)的飛躍，望遠(yuǎn)鏡的口徑越做越大，分辨率的需求也不斷提高，出現(xiàn)了巨型化與復(fù)雜化的發(fā)展趨勢，其用途也由最初的觀測宇宙天體發(fā)展成為對空間人造目標(biāo)的監(jiān)視定軌以及成像識別[1-2]。

望遠(yuǎn)鏡除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用了主動光學(xué)技術(shù)，還需要平穩(wěn)、高精度的驅(qū)動控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對觀測目標(biāo)的低速精密跟蹤與成像，獲得更多被測目標(biāo)的信息。望遠(yuǎn)鏡的傳動方式主要包括電機(jī)直接驅(qū)動、摩擦傳動、齒輪傳動與蝸輪蝸桿傳動，新型控制策略的應(yīng)用也能夠有效的提高望遠(yuǎn)鏡對空間目標(biāo)的低速跟蹤精度[3]。
天文臺的建設(shè)地點(diǎn)主要分布在大氣視寧度好的地方。夏威夷島的莫納克亞山上聚集了世界上最大的天文觀測設(shè)備，如圖 1.2 所示，這里的海拔為 4205 米，從天文望遠(yuǎn)鏡選址的角度來講，莫納克亞山上優(yōu)良的天文觀測條件是天文學(xué)家們獨(dú)一無二的選擇，這里的氣候干燥、大氣層異常穩(wěn)定，極其有利于對來自天體的紅外與亞毫米射線進(jìn)行測量，是天文觀測的寶地。這里人口稀少同時也遠(yuǎn)離了城市照明的干擾，使得對位于可觀測范圍邊緣的微弱星系的研究成為可能。

莫納克亞山上的大型望遠(yuǎn)鏡設(shè)備分別來自 11 個不同國家，聚光能力可以達(dá)到 Palomar 望遠(yuǎn)鏡的 15 倍，達(dá)到哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的 6 倍。目前，莫納克亞山上有 13 個望遠(yuǎn)鏡處于觀測運(yùn)行狀態(tài)[4-7]，其中 9 個為光學(xué)/紅外望遠(yuǎn)鏡：凱克望遠(yuǎn)鏡(Keck I&II，10 米)[8]、斯巴魯望遠(yuǎn)鏡(Subaru，8.2 米)[9]、北雙子望遠(yuǎn)鏡(Gemini，8 米)[10]、英國紅外望遠(yuǎn)鏡(UKIRT，3.8米)、CFHT(Canada-France-Hawaii Telescope，3.6 米)、NASA 紅外望遠(yuǎn)鏡(IRTF，3.0 米)、UH2.2m 望遠(yuǎn)鏡、UH0.9m 望遠(yuǎn)鏡。3個為亞毫米波望遠(yuǎn)鏡：CSO 望遠(yuǎn)鏡(Caltech Submillimeter Observatory，10.4 米)、麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡(JCMT,15 米)、亞毫米陣列(SMA，8×6 米)。另外 1 個為射電望遠(yuǎn)鏡：VLBA 望遠(yuǎn)鏡(Very Long BaselineArray，25 米)。

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1.2 國內(nèi)外大型望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
VST(VLT Survey Telescope)是由 OAC 和 ESO 合作完成的 2.6 米口徑的地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，位于智利北部的 Cerro Paranal 觀測站[13]，如圖 1.4 所示。該望遠(yuǎn)鏡采用卡塞格林式光學(xué)系統(tǒng)，并通過高精度的跟蹤在 16K×16K 的 CCD 探測器OmegaCAM 上穩(wěn)定成像，方位軸的運(yùn)行角度范圍為-180°~+360°，俯仰軸的運(yùn)行角度范圍為 0°~+95°。VST 望遠(yuǎn)鏡對主軸控制性能的要求包括：軸系最大速度1.5°/s，最大加速度 0.5°/s2，跟蹤誤差小于 0.1" RMS[14-15]。
控制系統(tǒng)采用基于工業(yè) CAN 總線的分布式控制方式，如圖 1.5 所示。方位軸與俯仰軸控制系統(tǒng)的編碼器與測速計分別作為望遠(yuǎn)鏡的位置與速度反饋裝置，驅(qū)動器采用 Moog 公司的 BDM04，集成了過壓、過溫等保護(hù)功能，開關(guān)頻率可以達(dá)到 10KHz，IGBT 模塊耐壓為 400V，最大輸出電流為 70A，通過數(shù)字 PWM信號控制IGBT的通斷實(shí)現(xiàn)對電機(jī)輸出力矩的控制，達(dá)到控制望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)速的目的。

閉環(huán)控制系統(tǒng)采用基于 VME 計算機(jī)的各控制單元組成，包括供電單元、I/O接口、集成有 Motorola 公司 MVME2600 芯片的主控模塊、編碼器信號處理板卡、16 位 A/D 與 D/A 處理單元等。增量式編碼器為 Heidenhain 公司的 4 個讀數(shù)頭的ERO7081，測速計為 Kollmorgen 的 QTG-7201，最大測速值為 17.5rad/s，電機(jī)采用 Moog 公司的無刷直流伺服電機(jī) 390FCV6，額定輸出力矩 461Nm，額定電流22.1A，望遠(yuǎn)鏡單軸采用 4 個電機(jī)與 4 個測速計以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[16-17]。10 米口徑的 Keck I 與 Keck II 望遠(yuǎn)鏡具有相同的系統(tǒng)設(shè)計，具有方位-俯仰的設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖 1.6 所示，且分別建設(shè)于 1990 年和 1996 年，相距 85 米，該望遠(yuǎn)鏡是由加州理工、加州大學(xué)以及 NASA 共同完成的一個國際合作項目[18]。

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第 2 章 TMT 三鏡交流控制系統(tǒng)原理仿真

2.1 引言
交流伺服系統(tǒng)的基本組成部分包括：交流伺服電機(jī)、位置反饋單元、電機(jī)相電流 A/D 檢測單元、位置環(huán)控制器、速度環(huán)控制器、電流環(huán)控制器以及功率驅(qū)動單元等。  
位置反饋單元
交流伺服系統(tǒng)的位置反饋單元主要用于檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，常用的位置傳感器有高分辨率光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。同時，伺服系統(tǒng)處理器可以對位置反饋信號進(jìn)行微分處理得出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，作為速度環(huán)的反饋信號。  
電機(jī)相電流檢測單元

交流伺服系統(tǒng)中需要對電機(jī)的相電流進(jìn)行控制，目前使用最多的是霍爾電流傳感器，它是一種常用的檢測電機(jī)相電流的裝置，將檢測到的實(shí)時相電流用于電流環(huán)的反饋值，目的是使其能夠迅速的跟蹤上電流的給定值，實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。  

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2.2 TMT 三鏡系統(tǒng)永磁同步電機(jī)的控制原理
2.2.1 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)
其基本思想是指在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中把轉(zhuǎn)子磁鏈作為參考坐標(biāo)系，將定子電流分解為相互垂直的兩個電流分量，一個是與磁鏈同向的定子電流勵磁分量 id，另一個是與勵磁電流相垂直的定子電流轉(zhuǎn)矩分量 iq，然后分別對其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對輸出轉(zhuǎn)矩的控制，其本質(zhì)是模擬直流力矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制方法。矢量控制方法的等效坐標(biāo)如圖 2.2 所示，is為定子電流空間矢量，a-b-c 坐標(biāo)系為定子三相靜止坐標(biāo)系，α-β 坐標(biāo)系為兩相靜止坐標(biāo)系，定子三相電流產(chǎn)生了一個旋轉(zhuǎn)的磁場，d-q 坐標(biāo)系隨定子磁場同步旋轉(zhuǎn)，d 軸與轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈 Ψf同方向，q 軸與 d 軸相垂直且沿轉(zhuǎn)速方向逆時針超前于 d 軸。
位置環(huán)控制器對給定值與位置反饋值的偏差進(jìn)行校正，將輸出量作為速度環(huán)的參考輸入，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的精確定位與穩(wěn)定跟蹤。速度環(huán)具有能夠有效抑制負(fù)載擾動的能力，通過控制電機(jī)的加速、減速以及等速的運(yùn)行方式，達(dá)到對速度平穩(wěn)性的控制，根據(jù)速度參考值與速度反饋的差值，經(jīng)速度環(huán)控制器輸出后作為電流轉(zhuǎn)矩分量的給定值。對于電流的控制采用了雙電流環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，電機(jī)相電流的采集采用霍爾電流傳感器，分別調(diào)節(jié)定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量跟蹤給定值的變化，經(jīng)過電流環(huán)控制器后輸出 d 軸與 q 軸的電壓 ud、uq，再經(jīng)過Park 逆變換，根據(jù)所采用的空間矢量脈寬調(diào)制方法輸出功率驅(qū)動信號，將母線電壓以一定的 PWM 占空比的形式施加到電機(jī)上，產(chǎn)生三相定子電流。電流環(huán)的作用是使電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量能夠快速無靜差的跟隨上電流的參考輸入值，這種控制方式能夠有效的增強(qiáng)系統(tǒng)抑制干擾的能力，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度[63]。

在交流調(diào)速系統(tǒng)中，采用電壓型逆變器對直流母線電壓進(jìn)行調(diào)制，逆變器主要由六個功率開關(guān)器件組成。由于逆變器上下橋臂的開關(guān)狀態(tài)是互補(bǔ)的，假設(shè)定義狀態(tài)“1”表示功率開關(guān)器件導(dǎo)通，狀態(tài)“0”表示關(guān)斷，這里只采用上橋臂功率開關(guān)器件的狀態(tài)來描述逆變器的工作狀態(tài)。三組開關(guān)可以組合出 8 種空間電壓矢量，如圖 2.5 所示，包括 6 個非零電壓矢量 V1、V2、V3、V4、V5、V6和 2 個零電壓矢量 V0、V7。SVPWM 采用電壓平均值等效的調(diào)制方法，在每個調(diào)制周期內(nèi)，依據(jù)給定電壓矢量當(dāng)前所處的扇區(qū)，將其分解為相應(yīng)扇區(qū)中兩個相鄰的電壓矢量，與零電壓矢量相結(jié)合，通過調(diào)整作用時間來合成給定的電壓矢量[64-67]。

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第 3 章 TMT 三鏡原理樣機(jī)伺服系統(tǒng)辨識.......................39
3.1 引言 .....................................................39
3.2 TMT 三鏡原理樣機(jī)的機(jī)械諧振頻率分析 .....................39
第 4 章 TMT 三鏡原理樣機(jī)的控制策略............................57
4.1 引言 ......................................................57
4.2 TMT 三鏡原理樣機(jī)伺服系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計 .......................58
第 5 章 TMT 三鏡控制系統(tǒng)的低速干擾因素.........................79
5.1 引言 .....................................................79

5.2 TMT 三鏡系統(tǒng)的摩擦干擾力矩分析 ...........................81

第 6 章 TMT 三鏡原理樣機(jī)的低速性能評價

6.1 引言
目前，大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在極低速運(yùn)行狀態(tài)下所面臨的主要問題是望遠(yuǎn)鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)振動與結(jié)構(gòu)力學(xué)等問題，被控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動是觀測成像過程中尤其需要重點(diǎn)考慮的問題。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)在設(shè)計過程中會基于各種因素進(jìn)行考慮，對于 TMT三鏡系統(tǒng)來說，設(shè)計要求中對系統(tǒng)的重量進(jìn)行了限制，這將容易導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于剛度低而容易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動。針對基于傳感器的被控系統(tǒng)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動也會導(dǎo)致傳感器的分辨率與精度下降，影響伺服系統(tǒng)性能。
針對地基大口徑望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與伺服系統(tǒng)設(shè)計，往往是為了提高系統(tǒng)對觀測目標(biāo)的低速跟蹤精度，提高成像質(zhì)量，這使得伺服系統(tǒng)在設(shè)計階段就會對低速跟蹤模式下的圖像抖動提出較高的指標(biāo)要求。分析系統(tǒng)各組成結(jié)構(gòu)所能引起的抖動也是望遠(yuǎn)鏡設(shè)計過程中的必要組成部分，如電機(jī)力矩波動帶來的抖動、軸承摩擦所引起的系統(tǒng)抖動以及編碼器量化誤差所引起的系統(tǒng)抖動等[140-143]。而對于望遠(yuǎn)鏡低速跟蹤過程的抖動抑制方面，通常所能采取的技術(shù)措施包括：增強(qiáng)望遠(yuǎn)鏡支撐結(jié)構(gòu)的阻尼特性，以降低系統(tǒng)對隨機(jī)振動的響應(yīng)；對干擾源進(jìn)行隔離；采用快速反射鏡對入射光進(jìn)行補(bǔ)償，降低入射光束的抖動。地基大口徑望遠(yuǎn)鏡在觀測過程中通常都是極低速運(yùn)行的，在這一過程中要求將低速抖動抑制到一個極低的值，這就需要結(jié)合相關(guān)干擾抑制的控制技術(shù)，以及在控制環(huán)路中采取相應(yīng)的先進(jìn)控制策略和濾波方法抑制振動，并最終實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)觀測指標(biāo)的要求。

文獻(xiàn)[144]中介紹了 Subaru 望遠(yuǎn)鏡為提高伺服系統(tǒng)的指向精度所采取的抑制系統(tǒng)振動的措施，采取了對振動譜的分布進(jìn)行測試與分析的方法。得出其方位軸系在7-9Hz頻段的振動與俯仰軸系在5-6Hz頻段的振動分別是由相應(yīng)軸系的增量式編碼器的周期性誤差激勵產(chǎn)生的。針對測試結(jié)果，采用了調(diào)整控制環(huán)路增益與改善濾波的方法，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)抑制望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)振動的目的。實(shí)驗測試結(jié)果表明：將控制環(huán)路的增益設(shè)計為原來的一半時，能夠有效的抑制振動，但導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間變長，降低了系統(tǒng)對風(fēng)阻的抑制能力，同時也降低了望遠(yuǎn)鏡的觀測效率。

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第 7 章 結(jié)論與展望

7.1 論文的主要工作與結(jié)論
本文的主要任務(wù)是針對 TMT 三鏡控制系統(tǒng)的低速性能指標(biāo)要求，設(shè)計了基于永磁同步電機(jī)的 TMT 三鏡原理樣機(jī)伺服系統(tǒng)。論文主要對永磁同步電機(jī)的矢量控制方法進(jìn)行了研究，采用正弦掃頻方法辨識了被控對象的頻率特性與控制模型，完成了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三閉環(huán)系統(tǒng)的控制策略設(shè)計，建立了 LuGre 摩擦模型與風(fēng)載干擾力矩模型，采用高分辨率編碼器測試低速抖動的方法驗證了系統(tǒng)的低速平穩(wěn)性與低速位置跟蹤精度。仿真與實(shí)驗結(jié)果表明，本課題中所設(shè)計的交流伺服系統(tǒng)能夠滿足控制系統(tǒng)的低速性能要求。主要完成的工作如下：
1. 調(diào)研了國內(nèi)外大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡、空間望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，分析了望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計指標(biāo)需求與實(shí)現(xiàn)方法。介紹了 TMT 三鏡伺服控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，包括控制系統(tǒng)的指標(biāo)要求、驅(qū)動方式設(shè)計、控制系統(tǒng)的功能等。
2.對 TMT 三鏡原理樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析了系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的諧振頻率。為了滿足伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計需要，采用正弦掃頻的方法測試伺服系統(tǒng)的頻率特性，從系統(tǒng)的開環(huán)與速度閉環(huán)頻率特性測試實(shí)驗得出，系統(tǒng)的一階諧振頻率為25.5Hz，速度回路的閉環(huán)控制帶寬為 12.8Hz，并基于頻率特性測試結(jié)果辨識了系統(tǒng)狀態(tài)空間模型。
分析了影響伺服系統(tǒng)低速跟蹤性能的幾類因素，建立了 LuGre 摩擦模型，并通過實(shí)驗測試的方法辨識了模型的靜態(tài)參數(shù)及其動態(tài)參數(shù)估計。對于風(fēng)載干擾力矩進(jìn)行了建模分析，并通過搭建基于風(fēng)載干擾力矩的仿真模型，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。
通過位置跟蹤實(shí)驗對低速抖動進(jìn)行測試與分析，并將其作為評價一個大型望遠(yuǎn)鏡低速平穩(wěn)性與低速跟蹤性能的標(biāo)準(zhǔn)。采用 32 位高分辨率位置編碼器測試被控系統(tǒng)的抖動狀態(tài)，針對不同跟蹤速度與方向下的低速抖動測試結(jié)果及其功率譜分布分析，表明了三鏡原理樣機(jī)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。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：106448