论文部分内容阅读
音圈电机在航天、半导体加工、精密仪器隔振等需要高精度伺服控制的场合有着广泛的应用。传统驱动方式包括模拟和斩波驱动,模拟驱动损耗大,斩波驱动电流纹波大,给精密加工及其热控系统带来额外的难度和成本。对此,本文首次将LCL滤波驱动方式引入旋转式音圈电机位置伺服。论文主要研究了该滤波驱动方式的参数设计,以及该驱动方式下的电流谐振的抑制及位置控制。首先,研究了用于音圈电机伺服系统的LCL滤波器的参数设计方法。在分析传统模拟驱动与斩波驱动优缺点的基础上,提出了含LCL滤波器的音圈电机斩波驱动方式并对其参数进行研究。传统LCL滤波器主要用于并网逆变器,参数设计主要关注稳态性能。而LCL滤波器用于电机伺服中,需要考虑暂态性能和伺服控制指标。本文以电流纹波、位置响应时间、滤波器体积三个因素为指标,设计了适合于音圈电机伺服驱动的滤波器。其次,研究了含LCL滤波器的音圈电机PID伺服控制策略。LCL滤波器会引入电流谐振问题,本文采用电容电流负反馈的有源阻尼方案来抑制谐振。然后,根据系统传递函数和伯德图设计了含电容电流反馈、含前馈的位置-速度-电流三闭环PID控制器。然后,研究了含LCL滤波器的音圈电机ADRC伺服控制策略。采用PID控制器的音圈电机伺服系统需要引入附加传感器来实现谐振抑制,而自抗扰控制器在不附加滤波器的条件下实现谐振抑制。采用位置-电流串级和直接位置控制两种不同结构的高阶ADRC控制器。利用伯德图分析观测器与控制器带宽对系统位置响应的影响,并采取减小积分步长、相位超前校正、ADRC位置环-PI电流环串级结构等措施来补偿带宽不足引起的性能的限制。最后,LCL滤波器参数设计与PID、ADRC控制策略的有效性均通过仿真与实验得以验证。在带宽不足的前提下,ADRC位置环-PI电流环串级结构的带宽最高,参数适应性、抗干扰性也最强。