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(xué)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(qū)動與控制”（51077025），黑龍江省自然科學(xué)基金資助項目“被動式力矩伺服系統(tǒng)自適應(yīng)模糊建模與控制策略研究”（E200828）。 在國防、船舶艦載、航空航天領(lǐng)域的科學(xué)研究和產(chǎn)品生產(chǎn)中，由于實際工況和負(fù)載類型的復(fù)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(xué)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(fù)雜性，實物仿真風(fēng)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(xué)者們的廣泛關(guān)注及生產(chǎn)廠家的廣泛應(yīng)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(zhǔn)確和完整的測試數(shù)據(jù)，在所研制的產(chǎn)品或設(shè)備投入實際運行前預(yù)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(fù)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(dǎo)航舵系統(tǒng)地面半實物仿真的重要設(shè)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(xué)控制的執(zhí)行機構(gòu)，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(shè)備，其性能直接關(guān)系到測試結(jié)果的可靠性和置信度，是保證型號產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)。近年來，隨著電機制造水平、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)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(yīng)的，對于高性能力矩加載測試設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)用的新方向。先進工業(yè)國家不斷加大對電動負(fù)載模擬技術(shù)的研究力度，從最初的實現(xiàn)相關(guān)功能逐漸向高精度、高頻寬過渡。在我國，電動負(fù)載模擬技術(shù)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(fù)載的模擬。從加載側(cè)看，負(fù)載機構(gòu)受到的傳動力矩以及產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速等機械量完全由承載機構(gòu)的運動學(xué)行為來決定；而從承載側(cè)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(fù)荷和使整個運動的機械整體按照某一預(yù)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(cè)施加力矩負(fù)荷的系統(tǒng)，系統(tǒng)的控制目標(biāo)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(yīng)彈性扭桿，將扭桿和承載機構(gòu)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(dāng)?shù)膽T量模擬塊時，就能完成負(fù)載力矩加載和負(fù)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(zhǔn)確性，加載系統(tǒng)應(yīng)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(zhuǎn)矩的控制性能——即對電機電流的控制性能，決定了負(fù)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(biāo)是確保實際電流能夠快速準(zhǔn)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(zhuǎn)坐標(biāo)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(biāo)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(yīng)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(gòu)的數(shù)學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上，分析采用 PI 控制、電流解耦 PI 控制及復(fù)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(jié)構(gòu)對電流環(huán)穩(wěn)定性和動態(tài)性能的影響。結(jié)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(shè)計方法。 
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2.2  基于復(fù)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(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)坐標(biāo)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhǔn)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(gòu)造一個復(fù)矢量零點與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的復(fù)矢量極點對消。稱該控制器為復(fù)矢量控制器，其在電機復(fù)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(shè)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(jié)構(gòu) ........ 42 
3.3  電動被動式力矩伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析及機械諧振的抑制 ....... 59
3.6  實驗驗證 ....... 66 
3.7  本章小結(jié) ....... 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(jié)構(gòu) .... 71 
4.3  比例諧振控制器參數(shù)穩(wěn)定性設(shè)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(fù)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(jié) ....... 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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)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(jié) ..... 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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩中用于克服自身慣性力矩的比重逐漸增大，受電機驅(qū)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(zhuǎn)子慣量下，充分利用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩慣量比高、加速度大、轉(zhuǎn)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(shè)計方法、磁路結(jié)構(gòu)并建立了其數(shù)學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上，在相同的控制方法下，比較雙定子結(jié)構(gòu)與單定子結(jié)構(gòu)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(jié)   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(biāo)，對加載系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)、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(zhuǎn)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(qū)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(xué)模型及實驗平臺，仿真分析和實驗結(jié)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(fù)矢量 PI 控制器并與電流給定前饋相結(jié)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(yīng)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(fù)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(zhuǎn)矩脈動，改善了電流環(huán)靜態(tài)性能。結(jié)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(yīng)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(zhì)。 
（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(zhuǎn)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(yīng)性問題。相較于力矩、電流兩環(huán)結(jié)構(gòu)，文中提出的三環(huán)控制結(jié)合負(fù)載力矩前饋補償結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)成的雙慣量系統(tǒng)動力學(xué)特性，采用了自適應(yīng)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