第 1 章  緒   論 

1.1  課題背景及研究的目的和意義 
本課題來源于國家自然科學基金資助項目“基于雙定子電機的被動式力矩伺服系統(tǒng)驅動與控制”（51077025），黑龍江省自然科學基金資助項目“被動式力矩伺服系統(tǒng)自適應模糊建模與控制策略研究”（E200828）。 在國防、船舶艦載、航空航天領域的科學研究和產(chǎn)品生產(chǎn)中，由于實際工況和負載類型的復雜多變，難以直觀地判斷產(chǎn)品帶載運行時性能的優(yōu)劣，需要對其進行測試以保證實際運行性能。為了克服基于模型的數(shù)學仿真無法完整體現(xiàn)實際工況下系統(tǒng)及其工作狀態(tài)的多樣性和復雜性，實物仿真風險大、研制成本高、研制周期長等問題，半實物仿真[1]得到了學者們的廣泛關注及生產(chǎn)廠家的廣泛應用[2-6]。半實物仿真能夠在實驗室條件下，還原系統(tǒng)實際工作狀態(tài)，得到較為準確和完整的測試數(shù)據(jù)，在所研制的產(chǎn)品或設備投入實際運行前預先發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，同時具有良好的可控性、可重復性，大大節(jié)約了研制成本和周期[7-11]。 被動式力矩伺服系統(tǒng)作為導航舵系統(tǒng)地面半實物仿真的重要設備，用于模擬其在真實工況下所受的鉸鏈力矩，因此被動式力矩伺服系統(tǒng)也被稱為加載系統(tǒng)，舵系統(tǒng)也被稱為承載系統(tǒng)。舵系統(tǒng)作為動力學控制的執(zhí)行機構，其性能直接影響運載器整體性能；而力矩加載系統(tǒng)作為舵系統(tǒng)的檢驗設備，其性能直接關系到測試結果的可靠性和置信度，是保證型號產(chǎn)品性能的基礎。近年來，隨著電機制造水平、微電子技術、電力電子技術、計算機技術和現(xiàn)代控制技術的快速發(fā)展，舵系統(tǒng)電氣化進程不斷深入，產(chǎn)品數(shù)量和性能不斷提升，相應的，對于高性能力矩加載測試設備的需求變得愈加迫切。電動被動式力矩伺服系統(tǒng)（eletrical passive torque servo system，EPTSS）以其參數(shù)穩(wěn)定性好、體積小，結構簡單，成本低，維護使用方便及與電動舵系統(tǒng)匹配性好等優(yōu)點，成為了研究和應用的新方向。先進工業(yè)國家不斷加大對電動負載模擬技術的研究力度，從最初的實現(xiàn)相關功能逐漸向高精度、高頻寬過渡。在我國，電動負載模擬技術研究起步較晚，系統(tǒng)加載性能存在一定差距，但隨著需求的增加及研發(fā)力度的加大，必將推動其快速發(fā)展[12]。 
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1.2  被動式力矩伺服系統(tǒng)概述 
力矩加載系統(tǒng)是以力矩形式為承載位置伺服系統(tǒng)加載，通過對加載力矩的控制實現(xiàn)對負載的模擬。從加載側看，負載機構受到的傳動力矩以及產(chǎn)生的轉角、轉速等機械量完全由承載機構的運動學行為來決定；而從承載側看，如果不計運動系統(tǒng)固有阻力，則承載電機輸出的力矩分別用于平衡加載系統(tǒng)施加的力矩負荷和使整個運動的機械整體按照某一預定規(guī)律做機械運動。這樣，加載系統(tǒng)就成為了一種在被承載系統(tǒng)拖動的過程中按一定規(guī)律為承載側施加力矩負荷的系統(tǒng)，系統(tǒng)的控制目標是在“被迫”的運動中實現(xiàn)的。因此，被稱為被動式力矩伺服系統(tǒng)。 機械式被動式力矩伺服系統(tǒng)的加載方式是被動加載，承載系統(tǒng)主動運動利用反作用力矩為自身加載。根據(jù)工作方式的不同主要分為扭桿式和懸臂梁式[14,15]。以扭桿式為例，其結構如圖 1-1 所示。其中主體部分是可替換的具有不同剛度系數(shù)及最大線性扭轉角的彈性扭桿。加載時根據(jù)加載力矩和最大偏角，選用相應彈性扭桿，將扭桿和承載機構剛性固定，加載桿套筒和承載系統(tǒng)底座剛性固定，在加載扭桿上再配以適當?shù)膽T量模擬塊時，就能完成負載力矩加載和負載慣量的模擬[12]。 
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第 2 章  加載系統(tǒng)電流控制性能提升策略 

2.1  引言 
為了保證加載的準確性，加載系統(tǒng)應該具有比承載系統(tǒng)更為優(yōu)良的伺服性能。EPTSS 中，加載電機電磁轉矩的控制性能——即對電機電流的控制性能，決定了負載力矩外環(huán)能夠達到的加載頻寬和動、靜態(tài)跟蹤性能。為此，有必要提升電流環(huán)控制性能。 電流控制的主要目標是確保實際電流能夠快速準確地跟蹤給定電流，縮短動態(tài)跟蹤過程，保證穩(wěn)態(tài)精度。同步旋轉坐標系下的電流環(huán) PI 控制，因具有穩(wěn)態(tài)無靜差的優(yōu)點，成為電流環(huán)控制的主要方式。但坐標變換后產(chǎn)生的交、直軸耦合干擾，使得電流環(huán)動態(tài)跟蹤性能變差，調(diào)節(jié)時間延長，影響了系統(tǒng)動態(tài)加載跟蹤速度；逆變器死區(qū)和電機齒槽效應造成的電流諧波，使得交直軸電流在PI 調(diào)節(jié)器下無法完全控制為直流，影響了系統(tǒng)靜態(tài)加載性能且?guī)磔^大噪聲。 針對以上問題本文首先建立加載執(zhí)行機構的數(shù)學模型；在此基礎上，分析采用 PI 控制、電流解耦 PI 控制及復矢量 PI 控制對動態(tài)耦合項干擾的抑制能力及魯棒性；采用廣義積分器抑制電流穩(wěn)態(tài)諧波，分析引入廣義積分器結構對電流環(huán)穩(wěn)定性和動態(tài)性能的影響。結合電流給定前饋控制，提出一種能夠兼顧電流環(huán)動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的電流環(huán)控制方法，并給出了數(shù)字化設計方法。 
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2.2  基于復矢量 PI 控制的電流耦合項補償方法 

在加載系統(tǒng)中，電流環(huán)控制回路將外環(huán)控制器計算得到的控制指令轉化為加載電機軸端輸出的電磁力矩，起到承上啟下的重要作用。高性能的電流控制回路，不僅能夠降低外環(huán)控制方法的復雜程度，且能夠有效提升系統(tǒng)的加載性能。本節(jié)對基于同步旋轉坐標系下的電流環(huán) PI 控制展開研究，解決交直軸耦合干擾問題，提升電流環(huán)動態(tài)響應特性。 而EPTSS通常工作在動態(tài)條件下，電流幅值的變化較為劇烈甚至有堵轉的情況出現(xiàn)，溫度和電流的變化會造成交直軸電感較大改變，，所以難以得到交直軸電感的準確值。此時，采用電流解耦 PI 控制不但無法完全補償干擾耦合項，甚至在估測電感偏差較大時，還會惡化電流環(huán)動態(tài)特性。 為了抑制交直軸耦合項的干擾，另外一種解決辦法就是通過在電流控制器中構造一個復矢量零點與兩相旋轉坐標系下的復矢量極點對消。稱該控制器為復矢量控制器，其在電機復矢量模型下的控制框圖如圖 2-4 所示。 

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第 3 章  加載系統(tǒng)速度控制器設計方法 ..... 42 
3.1  引言 ........ 42 
3.2  電動被動式力矩伺服系統(tǒng)總體結構 ........ 42 
3.3  電動被動式力矩伺服系統(tǒng)控制結構分析 ....... 43
3.4  基于機械參數(shù)辨識的速度環(huán)參數(shù)整定方法 ......... 48 
3.5  雙慣量系統(tǒng)結構分析及機械諧振的抑制 ....... 59
3.6  實驗驗證 ....... 66 
3.7  本章小結 ....... 70 
第 4 章  基于比例諧振控制的力矩加載策略 ......... 71 
4.1  引言 ........ 71 
4.2  加入比例諧振控制器的系統(tǒng)控制結構 .... 71 
4.3  比例諧振控制器參數(shù)穩(wěn)定性設計 ...... 74
4.4  比例諧振控制器高精度加載原理 ...... 78 
4.5  模擬三種典型負載力矩 ........ 81 
4.6  基于承載系統(tǒng)速度前饋的補償方法 ........ 84 
4.7  實驗驗證 ....... 84 
4.8  本章小結 ....... 89 
第 5 章  采用雙定子永磁同步電機的加載策略 ..... 91 
5.1  引言 ........ 91 
5.2  加載電機轉動慣量對加載系統(tǒng)的影響 .... 91
5.3  雙定子永磁同步電機結構及數(shù)學模型 .... 9
5.4  基于雙定子永磁同步電機的加載控制策略 ......... 98
5.5  本章小結 ..... 106 

第 5 章  采用雙定子永磁同步電機的加載策略 

5.1  引言 
通過對加載系統(tǒng)電流、速度及加載力矩的控制策略研究，有效抑制了電磁轉矩脈動、雙慣量機械諧振、多余力矩，并提升了加載精度。但控制策略的調(diào)節(jié)作用受限于加載元件性能，隨著加載力矩數(shù)量級的提升，加載電機轉動慣量顯著增加、功率密度下降。在動態(tài)加載條件下，電磁轉矩中用于克服自身慣性力矩的比重逐漸增大，受電機驅動器及電機容量的制約，加載系統(tǒng)控制器將長時間工作于飽和狀態(tài)，動態(tài)加載性能變差，系統(tǒng)加載帶寬顯著降低。為了解決上述問題，本章將雙定子永磁同步電機引入加載系統(tǒng)，提升加載執(zhí)行元件的功率密度。 杯型雙定子永磁同步電機在有限的電機體積與轉子慣量下，充分利用轉子內(nèi)外氣隙提升電機磁密，與普通永磁同步電機相比，具有功率密度大、轉矩慣量比高、加速度大、轉矩波動小、過載能力高、雙電氣端口等優(yōu)點。 本章首先分析加載電機慣量對系統(tǒng)帶寬的影響；其次介紹雙定子永磁同步電機的設計方法、磁路結構并建立了其數(shù)學模型；在此基礎上，在相同的控制方法下，比較雙定子結構與單定子結構的加載效果；充分利用雙定子永磁同步電機雙電氣端口的特性，實現(xiàn)承載系統(tǒng)位置跟蹤與力矩加載的解耦控制。 
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結   論 

本文以提升電動被動式力矩伺服系統(tǒng)加載性能為目標，對加載系統(tǒng)的控制結構、控制方法和加載元件展開研究。有效解決了電動被動式力矩伺服系統(tǒng)中存在的加載電機電磁轉矩脈動問題、系統(tǒng)魯棒性問題、機械諧振問題、多余力矩問題、跟蹤精度問題及大力矩直驅加載方式下加載力矩頻寬較低問題。建立了電動被動式力矩伺服系統(tǒng)數(shù)學模型及實驗平臺，仿真分析和實驗結果驗證了所提方法的正確性和有效性。論文完成的工作和創(chuàng)新性成果如下： 
（1）提出了一種采用廣義積分器的復矢量 PI 控制器并與電流給定前饋相結合的控制方法，提升了加載系統(tǒng)電流環(huán)的魯棒性和動態(tài)響應特性，有效抑制了穩(wěn)態(tài)電流諧波。從矢量合成角度出發(fā)，采用復矢量 PI 控制器，實現(xiàn)了無電感參數(shù)電流解耦控制，改善了電流環(huán)動態(tài)性能。采用廣義積分器有效抑制了電流中的低次諧波，降低了電磁轉矩脈動，改善了電流環(huán)靜態(tài)性能。結合電流給定前饋控制有效降低了引入廣義積分器后造成的階躍響應超調(diào)，并介紹了控制器數(shù)字化實現(xiàn)方法。所提出的方法在兼顧了電流閉環(huán)控制的穩(wěn)定性、對電氣參數(shù)的魯棒性、對諧波擾動的抑制能力的同時，保證了電流環(huán)動靜態(tài)品質。 
（2）提出了一種改進的時間平均辨識算法，高精度辨識了加載系統(tǒng)的轉動慣量、粘滯系數(shù)和庫倫摩擦力，解決了對加載對象變更所引起的機械參數(shù)變化的適應性問題。相較于力矩、電流兩環(huán)結構，文中提出的三環(huán)控制結合負載力矩前饋補償結構有效提升了加載系統(tǒng)阻尼系數(shù)及內(nèi)環(huán)抗擾性。為了提升系統(tǒng)對機械參數(shù)的魯棒性，對速度環(huán) PI 控制器參數(shù)整定方式展開研究，受限于擺角范圍及傳感器精度，本文提出了基于比例諧振控制的時間平均算法，令系統(tǒng)工作在可實現(xiàn)的特殊運行狀態(tài)，不依賴位置及速度反饋信號，實現(xiàn)了對轉動慣量、粘滯系數(shù)、庫倫摩擦等機械參數(shù)辨識，系統(tǒng)的低通特性保證了辨識精度。此外，分析了承載電機與加載電機構成的雙慣量系統(tǒng)動力學特性，采用了自適應陷波器有效解決了控制器飽和時存在的機械諧振問題。 
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參考文獻(略)

本文編號：37431