大口径望远镜主轴伺服控制系统故障诊断与容错控制研究

发布时间：2022-10-03 21:31

　　望远镜的口径越大,集光能力就越强,观测能力也会随之提升,在天文观测领域大势所趋。但是不断增大的口径也导致望远镜的伺服控制系统越来越复杂,发生故障的概率也会对应增加。大型的望远镜设备一般造价高昂,并且很多时候工作在非常严酷的条件,历史上日本的“瞳”太空射线望远镜就是非常惨痛的教训,大家所熟知的哈勃太空望远镜服役期间也一直问题不断、维修不断,据NASA公开数据,哈勃太空望远镜目前为止已经经历了 5次维修,光学系统、绝热毯、导星传感器、陀螺仪、电压传感器、温度传感器和电池模组等都经历过维修或者更换。那么在掌握一定的伺服控制技术的基础上,对整个伺服控制系统开展故障监测诊断和容错控制就具有非常高的科研价值和实际意义。首先,本文对望远镜伺服控制系统中逆变器的故障诊断与容错控制进行了研究。由于现有的诊断算法均没有考虑电机因逆变器开路故障停机后情况的诊断,先是分析了永磁同步电机在逆变器出现故障后的运行状态,总结出了电机逆变器开路故障后电机运行状态与电机本身参数和故障前运行状态的关系。通过分析故障后的电流特征,针对当前对多管故障研究较少的现状,提出了一种简洁高效的永磁同步电机逆变器单管或多管同时开路故障... 

【文章页数】：148 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号对照表
第一章 绪论
    1.1 课题背景及研究意义
    1.2 逆变器故障诊断和容错控制的发展现状与趋势
    1.3 电流传感器故障诊断和容错控制发展现状与趋势
    1.4 匝间短路数学建模和故障诊断的发展现状与趋势
    1.5 本文的内容安排
第二章 基础知识
    2.1 永磁同步电机数学模型
        2.1.1 永磁同步电机基本方程
        2.1.2 坐标变换理论
        2.1.3 数学模型
    2.2 空间矢量脉宽调制技术SVPWM
    2.3 永磁同步电机矢量控制系统
    2.4 自抗扰控制技术
        2.4.1 跟踪微分器
        2.4.2 扩张状态观测器
        2.4.3 非线性状态误差反馈
    2.5 本章小结
第三章 逆变器故障诊断与容错控制
    3.1 引言
    3.2 逆变器开路故障后永磁同步电机运行情况分析
    3.3 超低速永磁同步电机逆变器故障诊断方法
    3.4 基于矢量电压注入的逆变器和电机相开路故障诊断方法
    3.5 逆变器多管故障诊断方法
    3.6 三相四开关逆变器容错控制方法
        3.6.1 容错控制原理
        3.6.2 容错控制方法设计
    3.7 逆变器容错控制策略
    3.8 仿真验证
        3.8.1 超低速永磁同步电机逆变器开路故障诊断方法仿真验证
        3.8.2 基于矢量电压注入的逆变器和电机相开路故障诊断方法仿真验证
        3.8.3 逆变器多管开路故障诊断方法仿真验证
        3.8.4 三相四开关逆变器容错控制方法仿真验证
        3.8.5 逆变器容错控制策略仿真验证
    3.9 实验验证
        3.9.1 超低速永磁同步电机逆变器开路故障诊断方法实验验证
        3.9.2 逆变器多管开路故障诊断方法实验验证
    3.10 本章小结
第四章 电流传感器故障诊断与容错控制
    4.1 引言
    4.2 基于信号的电流传感器故障诊断方法
        4.2.1 故障模式说明
        4.2.2 基于PI控制器电流幅值估计
        4.2.3 信号丢失模式下的故障诊断方法
        4.2.4 增益故障模式下的故障诊断方法
        4.2.5 0点漂移故障模式下的故障诊断方法
        4.2.6 故障模式诊断
    4.3 基于残差的电流传感器故障诊断方法
    4.4 电流传感器故障动态补偿策略
        4.4.1 增益故障情况下的补偿策略
        4.4.2 0点漂移故障情况下的补偿策略
    4.5 基于二阶自抗扰控制器的电流传感器故障容错控制方法
        4.5.1 数学模型
        4.5.2 自抗扰控制器设计
        4.5.3 基于幅值估计的相电流重构算法
        4.5.4 基于二阶自抗扰控制器的电流传感器容错控制算法
    4.6 基于模型简化理论的电流传感器容错控制方法
    4.7 电流传感器容错控制策略
        4.7.1 3电流传感器系统的容错控制策略
        4.7.2 2电流传感器系统的容错控制策略
    4.8 仿真验证
        4.8.1 基于信号的电流传感器故障诊断方法仿真验证
        4.8.2 基于残差的电流传感器故障诊断方法仿真验证
        4.8.3 电流传感器故障动态补偿策略仿真验证
        4.8.4 基于模型简化理论的电流传感器故障容错控制算法仿真验证
        4.8.5 电流传感器容错控制策略仿真验证
    4.9 实验验证
        4.9.1 基于信号的电流传感器故障诊断方法实验验证
        4.9.2 基于二阶自抗扰控制器的电流传感器故障容错控制方法实验验证
    4.10 本章小结
第五章 定子绕组匝间短路故障建模与诊断
    5.1 引言
    5.2 匝间短路故障ABC坐标系建模
    5.3 基于频率跟踪算法的匝间短路故障诊断方法
    5.4 仿真验证
    5.5 实验验证
    5.6 本章小结
第六章 望远镜主轴控制系统硬件设计和控制模型辨识
    6.1 望远镜主轴硬件系统
    6.2 望远镜主轴的控制模型辨识
        6.2.1 频率特性测试方法
        6.2.2 控制模型辨识方法
        6.2.3 控制模型辨识结果
    6.3 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 本文主要工作与贡献
    7.2 本文主要创新点
    7.3 研究前景与展望
    7.4 心得与体会
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于DSP和FPGA的望远镜伺服控制系统设计[J]. 邓永停,李洪文,王建立,阴玉梅,吴庆林.  红外与激光工程. 2014(03)
[2]PMSM在abc坐标下的建模及故障仿真[J]. 崔胜民,柏睿,崔淑梅.  机械设计与制造. 2011(07)
[3]永磁同步电机矢量控制系统的仿真研究[J]. 孙环阳,黄筱调,洪荣晶,裴亮.  机械设计与制造. 2010(03)
[4]交流永磁同步电机伺服系统模糊PID控制[J]. 孙宁,梁永湖.  机械设计与制造. 2009(11)
[5]天文光学望远镜轴系驱动方式发展概述[J]. 王国民.  天文学进展. 2007(04)
[6]大型电动机故障诊断与保护理论综述[J]. 林诗庄,蔡泽祥.  广东电力. 2001(06)
[7]778光电经纬仪跟踪控制系统[J]. 马佳光,尹义林.  光学工程. 1986(01)

博士论文
[1]基于零电压矢量采样的永磁同步电机相电流重构技术及容错控制[D]. 闫浩.哈尔滨工业大学 2017
[2]4m级望远镜主轴交流伺服控制系统研究[D]. 邓永停.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[3]基于弧形电机拼接的大型望远镜驱动技术研究[D]. 常九健.中国科学院研究生院（光电技术研究所） 2013
[4]光电经纬仪电视跟踪、捕获快速运动目标技术的研究[D]. 王建立.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2002

硕士论文
[1]自抗扰控制技术在永磁同步电机调速系统中的应用[D]. 彭秋铭.中国科学技术大学 2018



本文编号：3684854