中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

电机技术的快速发展推动着人类社会的进步，新能源汽车、高速动车、无人机等离不开电机的驱动，从传统的三相异步电机到多相永磁同步电机，电机的使用遍及社会的方方面面，而拼接弧线永磁同步电机（Segmented arc permanent magnet synchronous motor，SAPMSM）的出现有力推动了大型天文望远镜的直接驱动控制技术的发展。随着天文学研究的深入，对大口径天文望远镜的精度、动静态响应及跟踪控制能力提出了更高的要求。
大口径天文望远镜是观测太空的重要工具，其性能直接影响着天文观测的精度和效率，这需要望远镜具备极高的跟踪精度和稳定性。然而，大口径望远镜的机械结构复杂，存在摩擦、间隙等非线性因素，且易受风载、温度变化等外部干扰，这些都给高精度控制带来了巨大挑战。传统的控制方法难以满足大口径望远镜在超低速状态下驱动控制的平稳性、抗干扰能力以及参数鲁棒性的苛刻需求，于是本文提出了一种基于SAPMSM的哈密顿理论（Hamiltonian Theory）以及广义比例积分观测器（General Proportional Integral Observer，GPIO）的复合控制策略，旨在提升大口径天文望远镜伺服驱动系统的控制性能。
本文首先介绍了哈密顿控制理论，通过将旋转坐标系下的弧线电机的数学模型重新构建为端口受控哈密顿系统（Port-Controlled Hamiltonian with Dissipation，PCHD）模型，并设计了基于互联和阻尼配置的哈密顿控制器。该控制器通过配置系统的互联矩阵和阻尼矩阵，使得闭环系统能够达到期望的能量平衡点，因此此方法拥有良好的动态性能和鲁棒性。此外，为了进一步提高系统的抗干扰能力和参数鲁棒性，本文通过GPIO 对系统的不确定性和外部干扰进行全面的估计，将GPIO观测到的扰动值转换为电流前馈补偿到系统中，结合哈密顿控制理论从而有效抑制了扰动对SAPMSM系统性能的影响。
为了验证所提出控制策略的有效性，本文对所提复合控制策略和传统PI控制进行了仿真和实验对比研究。仿真及其相关性能测试结果表明，所提出的复合系统与传统 PI控制相比较，能够显著提高系统的电流环的稳定性、抗干扰能力和参数鲁棒性。最后基于4.2米大型天文望远镜电控实验平台进行实验，得到的实际结果进一步验证了该控制策略在实际应用中的可行性和有效性。
相信随着控制技术的不断创新发展，基于直接驱动的大口径天文望远镜的性能将得到进一步提升，为人类探索宇宙奥秘做出更大的贡献。