基于直线电机的运动控制研究

论文摘要

本课题的背景来源是与航天科工集团的合作项目,主要研究内容是基于直线电机的运动控制系统设计。导弹导引头性能评估是通过半物理仿真试验完成的。目标模拟器作为试验的核心部分,要求驱动元件准确地跟踪输入参考信号,带动装有射频发射器的负载在有效幅面中做几种形式的运动,从而完成对导弹攻击目标时所跟踪的目标的动态模拟。其基本要求是精度高、动态特性好。目标模拟器的控制系统设计是一个典型的伺服系统设计问题。对幅面范围在3m×3m以下的中小型笛卡尔坐标式目标模拟器的设计问题,通常驱动元件会选用普通旋转电机,传动方式采用同步齿形带的方案进行,这种方案的优点是简单易行,造价低廉。但是,对本文所讨论的幅面范围在7m×7m左右的大型目标模拟器来讲,由于同步齿形带传动方案的谐振问题较严重,因此考虑采用直线电机驱动的设计方案。采用永磁直线同步电动机直接驱动,省掉了中间的传动环节,消除了机械传动链的影响;又因永磁直线同步电动机采用高能永磁体,具有电磁推力强度高、损耗低、电气时间常数小、响应快等特点。因此本文选择永磁直线同步电机作为笛卡尔坐标式目标模拟器的驱动元件。本文根据目标模拟器的技术指标,研究系统的驱动元件为直线电机的情形,进行了电机的选型,并在此基础上建立了理想的电机负载模型,进而以双十性能指标为标准进行了传统的速度、位置双闭环控制器的设计。然后,考虑到在目标模拟器系统中,双直线电机传动时没有类似于旋转电机传动时的同步轴做机械同步,主要靠电气控制实现同步传动,而且两台电机的参数不可能完全一致,作为两台直线电机负载的竖梁的重心会发生变化,系统工作时还可能出现负载不同的情况,这几方面的影响导致系统的同步性能较差,传统的控制器已经不能满足系统的动态要求。为此本文分别采用基于H∞控制和基于模型参考自适应控制的方法进行了控制器的设计,从而实现了系统同步性能对系统参数以及负载变化不敏感,取得了满意的同步控制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与实际意义
• 1.2 直线电机介绍
• 1.2.1 基本结构
• 1.2.2 直线电机运动控制系统综述
• 1.3 主要问题与解决方案
• 1.3.1 伺服问题及双环控制器设计
• 1.3.2 同步问题及同步控制器设计
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 基于直线电机的系统数学模型的建立
• 2.1 相关目标模拟器主要技术指标
• 2.2 直线电机的选型
• 2.2.1 Y 方向的电机选型
• 2.2.2 X 方向的电机选型
• 2.2.3 所选电机的实际参数
• 2.3 目标模拟器系统数学模型的建立
• 2.3.1 永磁同步直线电机的控制原理及数学模型
• 2.3.2 位移传感器的数学模型
• 2.3.3 整个系统的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 双闭环控制系统设计与仿真
• 3.1 速度环控制器设计
• 3.2 位置环控制器设计
• 3.3 控制器性能分析
• 3.3.1 系统对阶跃信号的响应
• 3.3.2 系统对斜坡信号的响应
• 3.3.3 系统对正弦信号的响应
• 3.3.4 系统对干扰的抑制
• 3.4 本章小结
• 第4章 同步控制器设计及仿真
• 4.1 解决同步控制问题的一般方法
• ∞控制器设计及仿真'>4.2 鲁棒H_∞控制器设计及仿真
• ∞控制器设计'>4.2.1 状态反馈标准H_∞控制器设计
• ∞控制器设计'>4.2.2 状态反馈鲁棒H_∞控制器设计
• 4.3 模型参考自适应控制器设计及仿真
• 4.3.1 模型参考自适应控制概述
• 4.3.2 模型参考自适应控制器的结构和算法
• 4.3.3 模型参考自适应控制器设计及仿真
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢