[发明专利]强风载扰动下大型望远镜永磁同步电机控制系统及其方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种控制系统，具体涉及一种强风载液压扰动下的大型望远镜的强鲁棒高灵敏永磁同步电机控制系统。该系统能够实现液压扰动和风载等外界不确定因素下的大型望远镜的永磁同步电机控制。本发明还涉及这种强风载液压扰动下的大型望远镜的强鲁棒高灵敏永磁同步电机控制系统的工作（运行）方法。

背景技术

为了提高光学成像分辨率，获取高质量光学数据，望远镜口径随之增加，承载望远镜机架结构不仅庞大而且变得复杂多样，这对望远镜跟踪控制系统提出了极高的要求。

望远镜跟踪控制系统的抗扰动能力以及高灵敏度特性对直接影响天文观测数据的质量和被观测天体的跟踪精度。望远镜跟踪控制器直接并且唯一决定控制系统的跟踪质量，对望远镜的跟踪控制起着至关重要的作用。

对于大型望远镜的直接驱动永磁同步电机（PMSM）控制系统，由于其极大的自身重量和复杂的结构特性，转子在运转期间会生产很强的摩擦力，不仅运转困难，还极大损耗定转子材料，因此在转子与定子相接处需要通过液压支撑来减小摩擦力。但液压出油量起伏不定，即使有专门的控制系统控制出油量也未必能使液压面保持在同一水平线，起浮不定的液压噪声引起转子轴向跳动和径向圆周跳动，因此影响望远镜跟踪精度。风载等外界不确定因素干扰也影响望远镜的跟踪控制质量。强劲的风还会使望远镜一时偏离正常轨迹行驶，使观测数据质量大大降低，因此有必要设计一套能有效抑制干扰的强鲁棒高灵敏控制器。

目前国内外大型天文望远镜的控制系统中，时常使用PMAC运动控制卡，以及UMAC控制器对望远镜进行跟踪控制。PMAC和UMAC虽然使用方便，但其控制对象没有针对性，而且控制算法采取的是传统PID控制。由于模型的不确定性、参数多变性以及各类非线性因素的影响使带PID控制器的跟踪控制系统在望远镜这一复杂工程上的应用效果并不理想，抗干扰能力较差，灵敏度较低，响应特性缓慢，在外界干扰因素较强情况下，不能有效的满足望远镜超低速、高精度的跟踪要求。

近年来欧洲南方天文台VLT望远镜开始采用鲁棒性强的H∞控制器策略抗风载干扰。哈勃太空望远镜改进计划中，为了改进装于哈勃望远镜上的太阳能蓄电池的热效应对控制系统的干扰，以抗干扰为首要目的研究了对应的控制器。ALMA望远镜的控制系统采用了鲁棒性强H∞控制策略。正在拟建的30光学望远镜TMT(Thirty Meter Telescope)打算采用鲁棒性强抑制干扰为目的H∞控制器策略。

虽然现有技术中已经有了在大型望远镜控制系统上应用H∞控制器的上述成果，但是由于每一架大型天文望远镜的结构、参数等基本因素都与以前的天文望远镜不同，其控制系统也都是一个全新的系统，其所面临的风载、摩擦力等因素也都是不确定的因素。所以对于一个新的大型望远镜的控制系统，要采用H∞控制器的设计，仍然需要克服很多技术困难。例如：液压扰动频带不稳定性，可能位于低频带；风载的随机性干扰，风力大小的不稳定性和快速性受到地理环境影响。

中国大型望远镜的控制系统尚未使用H∞控制器策略，也缺乏对大型望远镜H∞控制关键技术的研究和应用，为了望远镜在外界不确定因素以及液压系统等干扰因素下，满足望远镜超低速、高精度等要求，有必要设计一种长期可靠的强鲁棒性和高灵敏的控制器。

发明内容

本发明的目的：是设计一种强风载液压扰动下大型望远镜永磁同步电机控制系统，在风载、液压等外界不确定因素干扰下，该控制系统能使得控制系统具有高灵敏度和强抗干扰能力，满足望远镜长期可靠的匀速、超低速、高精度运行。本发明还将提供这种强风载液压扰动下的大型望远镜的强鲁棒高灵敏永磁同步电机控制系统的工作方法。

本发明专利的技术方案是：一种强风载液压扰动下大型望远镜永磁同步电机控制系统，其中，大型望远镜的PC机与控制系统进行双向通讯；该控制系统接永磁同步电机控制台；该控制台运转时由液压支撑，并通过光电编码器向控制系统输送速度反馈和位置反馈信号，其特征在于，所述控制系统中的处理器采用DSP处理器，该DSP处理器采用鲁棒H∞控制。 

所述DSP处理器采用鲁棒H∞控制的具体结构是：大型望远镜的PC机与控制系统中的DSP处理器进行双向通讯；该DSP处理器的鲁棒H∞控制包括：4mPMSM建模与辨识、权函数设置及控制器参数，输送到大型望远镜的PC机；同时通过PWM控制4mPMSM电机的驱动电路；4mPMSM电机的运行信号通过光电编码器，将其位置反馈与速度反馈输送给DSP处理器。