旋转式音圈电机精密伺服驱动电路和短时过载温度场研究

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旋转式音圈电机因其具有惯量小、跟踪精度高、直接驱动、无齿槽结构的特点,在精密伺服系统中的应用越来越广泛。近年来,随着对产品指标要求的不断提高,对旋转式音圈电机的驱动控制电路的性能的要求也越来越高。本文针对应用于民用航天领域的旋转式音圈电机,研究了其数学模型、设计了数字控制策略和模拟驱动电路并进行了特殊环境下电机短时过载时的温度场分析。  本文首先建立了旋转式音圈电机的数学模型。针对电机电感小的特点,对电机的传递函数进行了化简,从而减小了电机模型的阶数。对于阶跃参考信号,分析了电机速度的影响因素并确定了电机的最佳控制策略,确定了电机的最短跟踪时间,为控制器的设计确立了标准。针对旋转式音圈电机的非线性特点,着重分析了其迟滞特性,并实验验证了迟滞特性与电机电压幅值和频率的关系。  本文设计了旋转式音圈电机的 PID三闭环控制器,并设计了用于速度检测的二阶扩张状态观测器,分析了观测器带宽对观测器性能的影响,实验验证了观测器可以有效地估计输入信号及其微分量。针对传统 PID控制的滞后及速度突变时的跟踪精度低的特点,设计了前馈控制器,仿真结果表明,加入前馈控制器的控制系统可以有效地改善传统PID的缺陷。  针对全桥逆变器驱动时的电流纹波大和模拟控制器受环境影响大的缺点,本文提出了数字模拟混合驱动电路,分析了线性驱动器件的电流纹波大小和输出线性度,并给出了线性功率放大器的损耗计算公式。为了验证线性驱动的有效性,本文设计了一种实用型的模拟PI控制器,仿真结果表明,采用模拟驱动电路的电流纹波小、控制精度高,电流环带宽达到3kHz。  为了验证模拟数字混合驱动控制电路的性能,分别搭建了全数字和混合驱动控制电路。实验结果表明,前馈 PID控制器可以有效抑制外部扰动,对于存在速度突变的系统有更好的控制性能,混合驱动控制电路的控制精度更高。  针对真空环境下的散热问题给出了音圈电机的转子等效热网络和辐射散热模型,分析了线圈骨架材料对转子温升的影响。采用4阶龙格库塔计算出了电机过载10s的绕组温升并绘制出曲线并进行了有限元分析。最后进行了样机短时过载温升测量,验证了理论计算的正确性。
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