被动式力矩伺服系统加载策略研究

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1、博士学位论文被动式力矩伺服系统加载策略研究RESEARCHONLOADINGSTRATEGIESOFPASSIVETORQUESERVOSYSTEM王哲哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TM921.5学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文被动式力矩伺服系统加载策略研究博士研究生：王哲导师：王明彦教授申请学位：工学博士学科：电力电子与电力传动所在单位：电气工程系答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM921.5U.D.C:621.3Dissertationf

2、ortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONLOADINGSTRATEGIESOFPASSIVETORQUESERVOSYSTEMCandidate：WangZheSupervisor：Prof.WangMingyanAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：PowerElectronicsandElectricalDrivesAffiliation：DepofElectricalEngineeringDateofDefence：July,

3、2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要被动式力矩伺服系统也称力矩负载模拟系统或力矩加载系统，用于在地面半实物仿真条件下模拟导航舵系统在实际工况中所受到的铰链力矩，在航空航天、船舶舰载、武器装备和科研实验等领域发挥着重要作用。近年来，随着电机制造及驱动控制技术的发展，舵系统电气化进程不断深入，控制精度和机动性能大幅度提升，相应的对与之相匹配的电动被动式力矩伺服系统动态加载性能提出了更高要求。从理论分析和工程实践中可以发现，由承载系统主动运动产生的多余力矩是影

4、响加载精度和加载频宽的核心因素。此外，加载电机电磁转矩脉动问题、系统鲁棒性问题、机械谐振问题也对加载性能造成一定影响，制约了加载性能的进一步提升。鉴于电动被动式力矩伺服系统的高性能要求和控制的复杂性，需要从控制结构、控制策略及加载电机多方面进行改进。系统加载性能受内环控制性能制约，对提升加载系统电流内环动、静态性能的控制方法展开研究。动态加载过程中，系统运行工况的变化会导致电枢电感的变化，造成含有电感参数的电流交叉解耦方法失效，由电机复矢量模型构建的复矢量PI控制器无需电感参数，有效提升了电流环动态性能及鲁棒性。静态加载过程中，由于电机齿槽效应及

5、逆变器死区等非线性影响，交直轴电流中存在低次谐波，使得电机输出电磁转矩存在脉动，广义积分器可以对确定的相应谐波有效抑制，显著改善了电流环静态特性。针对引入广义积分器后造成的电流阶跃响应超调问题，采用了电流给定前馈控制方法加以抑制。对电动被动式力矩伺服系统控制结构展开研究，分析了加入速度控制回路的必要性，并提出了一种速度环PI控制器参数整定方法。为了提升系统阻尼，采用了加入速度控制回路的三环控制结构。为了增强系统速度环抗扰性，引入了负载转矩扰动前馈补偿。针对承载系统及加载系统机械参数的不确定性，提出了改进的时间平均参数辨识算法，在有限摆角运动条件下

6、，对转动惯量、粘滞系数、库伦摩擦等系统机械参数高精度辨识，辨识结果用于速度环控制器参数整定。对加载系统和承载系统构成的双惯量系统动力学特性进行了分析，考虑系统控制器饱和时可能产生的机械谐振，引入了自适应陷波器进行抑制。为了提升电动被动式力矩伺服系统加载精度及抑制多余力矩，提出了基于比例谐振(proportionalresonant，PR)控制的负载力矩控制方法。根据期望力矩及承载系统位置扰动的频谱，构建单个或多个PR控制器，实现了对特定正弦信号的无静差跟踪及正弦扰动的有效抑制。根据正弦运动中承载系统位置、速度与加速度信号的函数关系，结合PR控制器

7、，实现了对弹性力矩、粘滞力矩、-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文惯性力矩的高精度模拟。提出了单个或多个PR控制器级联结构，结合频域设计方式实现了谐振积分参数分离设计，保证了系统稳定性及快速性。采用了承载系统速度信号前馈补偿控制，抑制加载初始阶段负载力矩超调对系统的冲击，实现了快速响应。为了提升大转矩直驱加载频宽，提出了以双定子永磁同步电机作为加载元件的电动被动式力矩伺服系统加载策略。受电机转动惯量的制约，目前电动被动式力矩伺服系统动态性能不能满足大转矩加载频宽要求，利用双定子电机转矩惯量比高的特性，提出了基于双定子永磁电机直接驱动的加载模式。针

8、对低转速、大转矩的实际工况，给出了应用于电动被动式力矩伺服系统的双定子电机设计方法，并进行了有限元仿真。建立了双定子永磁同步电机数学模型