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振镜电机系统高性能数模混合驱动控制方法

赵家康 郭宏 徐金全

赵家康,郭宏,徐金全. 振镜电机系统高性能数模混合驱动控制方法[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(10):3208-3218 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0790
引用本文: 赵家康,郭宏,徐金全. 振镜电机系统高性能数模混合驱动控制方法[J]. 北京航空航天大学学报,2024,50(10):3208-3218 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0790
ZHAO J K,GUO H,XU J Q. High performance control method for galvanometer laser scanner system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(10):3208-3218 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0790
Citation: ZHAO J K,GUO H,XU J Q. High performance control method for galvanometer laser scanner system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2024,50(10):3208-3218 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0790

振镜电机系统高性能数模混合驱动控制方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2022.0790
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:xujinquan@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V242.4;TM351

High performance control method for galvanometer laser scanner system

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  • 摘要:

    为满足振镜电机系统高精度和高动态性能的控制需求,提出数模混合架构和扩张状态观测器(ESO)-滑模控制(SMC)复合的高性能驱动控制方法。采用基于数字式控制器和模拟式驱动器的数模混合架构设计,一方面便于实现高性能的非线性控制算法,另一方面能够消除数字式驱动器中脉冲宽度调制(PWM)技术导致的高频电流纹波。基于ESO和SMC复合的振镜电机位置环控制方法,通过ESO估计系统的各种扰动,利用SMC实时消除扰动影响,显著地提升了振镜电机系统的动态性能和鲁棒性。仿真和实验结果表明:相较于比例-积分-微分(PID)控制器,所提方法能够有效地提升系统的鲁棒性和动态响应性能,其中动态响应性能提升了29.4%。

     

  • 图 1  振镜电机系统框架

    Figure 1.  Frame of galvanometer laser scanner

    图 2  驱动器的拓扑结构

    Figure 2.  Topology of the drivers

    图 3  振镜电机系统的结构框图

    Figure 3.  Structural block diagram of the galvanometer laser scanner

    图 4  2类驱动器的位置环响应

    Figure 4.  Position loop response of two types of drivers

    图 5  电机电阻参数摄动

    Figure 5.  Perturbation of motor resistance parameters

    图 6  电机电感参数摄动

    Figure 6.  Perturbation of motor inductance parameters

    图 7  本文方法结构框图

    Figure 7.  Structure block diagram of the proposed method

    图 8  1%量程阶跃响应

    Figure 8.  1% span step response

    图 9  位置环正弦响应

    Figure 9.  Sinusoidal response of position loop

    图 10  抗干扰能力测试

    Figure 10.  Anti-interference capability test

    图 11  鲁棒性能力测试

    Figure 11.  Robustness capability test

    图 12  振镜电机系统实验平台

    Figure 12.  Experimental Platform of Galvanometer laser scanner

    图 13  1%量程阶跃响应实验

    Figure 13.  1% step response experiment

    图 14  全行程阶跃响应实验

    Figure 14.  Full range step response experiment

    图 15  位置环正弦响应实验

    Figure 15.  Sinusoidal response experiment of position loop

    表  1  运算放大器的4种组态

    Table  1.   Four forms of operational amplifier

    组态 输入信号 输出信号 放大公式
    电压串联式 ${U_{\mathrm{i}}}$ ${U_{\mathrm{o}}}$ $ {K_{\mathrm{v}}} = {U_{\mathrm{o}}}/{U_{\mathrm{i}}} $
    电压并联式 ${U_{\mathrm{i}}}$ ${I_{\mathrm{o}}}$ $ {K_{\mathrm{s}}} = {I_{\mathrm{o}}}/{U_{\mathrm{i}}} $
    电流串联式 ${I_{\mathrm{i}}}$ ${U_{\mathrm{o}}}$ $ {K_\Omega } = {U_{\mathrm{o}}}/{I_{\mathrm{i}}} $
    电流并联式 ${I_{\mathrm{i}}}$ ${I_{\mathrm{o}}}$ $ {K_{\mathrm{i}}} = {I_{\mathrm{o}}}/{I_{\mathrm{i}}} $
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    表  2  振镜电机基本参数

    Table  2.   Basic Parameters of Galvo Motor

    参数 数值
    电机电阻/Ω 3.55
    电机电感/μH $170$
    额定电压/V 30
    额定电流/A 3
    最大电流/A 6
    力矩系数/(Nm·A−1) 0.017
    反电势常数/(V·(rad·s−1)−1) $8.3 \times {10^{ - 3}}$
    转动惯量/(kg·m3) $ 1.25\times {10}^{-8} $
    最大摆角/(°) 30
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-18
  • 录用日期:  2022-10-10
  • 网络出版日期:  2022-11-04
  • 整期出版日期:  2024-10-31

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