本文關鍵詞： 大型望遠鏡 永磁同步電機 CAN總線 CANopen協議 頻率特性 加速度控制 滑模控制 觀測器 雙電機同步控制　出處：《中國科學院光電技術研究所》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：隨著技術的發(fā)展,望遠鏡的分辨率逐漸提高,口徑也日益增大,傳統的有刷直流電機在尺寸、功率等方面已經無法滿足系統需求。目前,國外GTC、VLT、Subaru和ALMA等大口徑望遠鏡紛紛采用了永磁同步電機弧形拼接的驅動策略。該種驅動方式的電機定子由多塊弧形單元拼接組成,并且永磁同步電機無換向刷、效率高且力矩波動小,因此可以滿足系統跟蹤精度要求。目前,由于直流電機技術成熟穩(wěn)定,基于交流電機的望遠鏡伺服系統在國內還幾乎沒有得到應用。因此,研究如何設計基于交流電機的望遠鏡伺服控制系統具有重要的工程意義。本文首先闡述了永磁同步電機空間矢量控制方法的坐標變換原理和實現方式,然后在Matlab/Simulink中構建了仿真模型,并進行了系統速度階躍響應實驗,實驗表明基于永磁同步電機的伺服系統響應快、波動小、穩(wěn)定可靠,驗證了該矢量控制方法的可行性。將傳統的基于RS422/485的伺服系統控制策略與基于現場總線的伺服系統控制策略進行了具體比較,闡明了CAN總線的優(yōu)勢。并對基于CAN總線的CANopen協議進行了深入研究,包括CAN總線物理層、報文協議和應用層等。設計了基于現場總線的伺服系統的硬件架構和CANopen主站軟件架構,在搭建的實驗平臺上進行了相關的通信測試,實驗表明基于CANopen協議的伺服控制系統實時性高、可靠性強,能滿足系統的需求。在搭建的實驗平臺上對系統進行了正弦掃頻測試,采用離散傅里葉變換的方法獲得了系統頻率特性并進行了系統模型辨識,在辨識模型的基礎上對伺服系統的速度環(huán)、位置環(huán)分別進行了設計。由于傳統的PI控制存在相位滯后的問題,會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構,并通過實驗測試表明引入前饋控制后,系統的帶寬不會提高但相位滯后得到明顯改善,從而提高了系統的響應能力,減小了跟蹤誤差。分析了影響望遠鏡跟蹤精度的幾種擾動:摩擦力矩,風載擾動和力矩波動。為抑制外部擾動對望遠鏡帶來的影響,采用了加速度環(huán)的多閉環(huán)控制結構。首先,分析了引入加速度環(huán)對擾動抑制的影響,然后提出了一種結合低速加速度估計器和牛頓迭代預測的估計器以估計系統加速度。通過在實驗平臺上進行的實驗測試表明,引入加速度環(huán)后系統的擾動抑制能力得到了大幅度的提高。由于提出的加速度估計器存在一定的相位滯后,而可直接測量的角加速度傳感器造價昂貴,因此,從控制算法角度出發(fā)提出基于指數趨近率的滑模控制方法來克服參數變化以及外部擾動對系統的影響。為了能對摩擦進行實時補償,提出了一種滑模觀測器對系統中的擾動進行實時觀測估計并補償。通過在實驗平臺上進行的實驗表明,基于指數趨近率和滑模觀測器的控制方法對于系統運行過程中的換相誤差抑制效果較為明顯。最后闡述了傳統的望遠鏡俯仰軸單電機驅動存在的局限和缺點,并對雙電機控制模型進行了分析。和單電機驅動相比,采用雙電機驅動能將系統的反諧振頻率提高2~(1/2)倍。在現有實驗平臺上實現了基于CANopen協議的的雙電機驅動控制系統,并將多種雙電機同步控制策略進行了對比,提出采用PD補償器對系統的同步誤差進行補償。實驗表明雙電機控制在帶寬和擾動抑制方面比單電機驅動均有提高。
[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 .

【學位授予單位】：中國科學院光電技術研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH743;TP273

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