空心力矩电机闭环反馈伺服控制研究

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光学生物测量仪是一种使用非接触技术的光学测量仪器,可以一次性测量眼球各项参数。基于时域干涉测量原理,使用旋转式光学延迟线得到不同光程的光束,使其与参考光发生干涉来获取测量值。其中光学延迟线在旋转过程中的平稳性及系统的闭环调节能力尤为重要。空心轴无刷直流力矩电机相比于传统外轴永磁电机,具有低速运转时保持高平稳性优点,非常适用于生物测量仪等时域干涉转台系统。针对在时域干涉系统中的抖动问题,论文以FPGA+ARM架构的Zynq作为主控芯片,在伺服系统的位置环和速度环采用自抗扰控制算法,设计了一种平稳性好、精度高的空心力矩电机闭环反馈驱动系统,用以满足时域干涉系统高精度强闭环调节能力的性能需求。本文从空心力矩电机的数学模型出发,分析了矢量控制原理及方法,推导了其在经典三相静止坐标系及两相旋转坐标系下的表达形式,详细分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理及其调制方法。研究了电机的自抗扰控制理论,并基于自抗扰控制原理对速度环控制器进行了具体方案设计。设计了系统的总体结构框图,搭建系统的硬件电路,选用高集成度的Zynq做为控制芯片,对驱动电路、电流采样电路、电源电路及母线电压电流检测等电路进行了详细的设计。基于Zynq主控芯片设计了三闭环反馈系统模型,在其处理系统(PS)端实现基于自抗扰控制算法的位置环与速度环控制器,在可编程逻辑(PL)端实现电机的矢量控制算法及编码器反馈等外围电路的解码,PS与PL端通过AXI总线进行交互,通过UART串行通信实现控制系统与上位机的通信,将实时的转速与位置信息传输到上位机。通过Model Sim仿真软件对系统各个功能模块进行测试,验证了逻辑的正确性。对比分析控制系统在有无自抗扰算法时的抖动、超调及响应速度等方面的性能,实验结果表明,与传统的PID相比,在加入自抗扰控制算法后,系统达到了更高的精度和更好的平稳性,满足了时域干涉系统的性能需求。
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