交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计(毕业论文+全套CAD图纸)(答辩通过)

充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 摘 要 直线电机在各行各业中发挥着越来越重要的作用，特别是在机床进给驱动系统中。本文以平板式交流永磁同步直线电机为研究对象，从电机机体到伺服驱动系统的软、硬件设计作了深入研究。 本文首先介绍了交流永磁同步直线电机机体设计过程中电枢绕组、铝芯和定子磁钢的设计和改进方法，较大程度上减小了推力波动，并且结合大推力直线电机的特点设计了方便有效的装配过程。 建立交流永磁同步直线电机的数学模型，在此基础上分析了当今最通用的伺服控制策略，选择了矢量控制方法。确定 0di 的矢量控 制实现形式。通过 SVPWM 方法进行脉宽调制，合成三相正弦波。选用 TI 公司 2000 系列最新 DSP TMS320F2812，深入研究了以上算法在 DSP 中的实现形式。采用了 C 语言和汇编语言混合编程的实现方法。在功率放大装置中，以智能功率模块 IPM 为核心，设计了功率伺服驱动系统。还包括电流采样、光电隔离、过压欠压保护和电源模块等。 由于知识和能力的限制，本次课题只对直线电机做一些理论研究。 买文档送全套图纸 扣扣 414951605 关键词 ： 永磁同步直线电机 DSP SVPWM 矢量控制 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 Abstract Line motors are playing a more and more important role in all kinds of trade, especially in machine tool feed system. We carry out our study in motor , software and hardware servo system based on flat AC permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM). First introduce the design method of armature ,core of al and magnet which can minish the thrust ripples, then introduce the means of assembly base on high thrust permanent magnet synchronous motors. To ensure the accuracy to a high requirements and get a wide speed range, we choose the dsp of Texas Instruments named TMS320F2812 which is the core of the servo system .In the paper we set up mathematical model of PMSLM, then analyse the current control strategies and choose the vector control method which is realized by the method of 0di .The three phase sine wave is compounded by space voltage pulse width modulation(SVPWM).The arithmetic realized by C language and assembly language in DSP. Intelligent Power Model (IPM) is the core of the power amplification circuit system which also contains current sampling circuit, photoelectric-isolation circuits, over-voltage protection circuits, under-voltage protection circuits and power supply. As a result of the knowledge and ability limit, this topic only does a fundamental research to the linear motor. Key words: permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM), DSP, SVPWM, vector control 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 目 录 摘要 中文 . I 英文 .II 第一章 绪 论 . I 1.1 研究背景和意义 . 1 1.2 直线电机的运行原理及特点 . 2 1.2.1 直线电机的基本运行原理 .2 1.2.2 直线电机进给系统优缺点分析 .3 1.3 直线电机发展历史及其伺服控制系统的研究综述 . 4 1.3.1 国内外直线电机历史、现状及发展 .4 1.3.2 直线 电机伺服控制系统的研究综述 .7 1.3.3 试验研究 .10 1.4 本文主要研究内容 .10 第二章 永磁永磁直线同步电机基本结构 . 11 2.1 实验用交流永磁同步电机基本结构 . 错误 !未定义书签。 2.2 初级结构设计 . 错误 !未定义书签。 2.3 次级结构设计 . 错误 !未定义书签。 2.4 电机的装配 错误 !未定义书签。 4 第三章 交流永磁直线同步电机的数学模型和控制算法研究 错误 !未定义书签。 4 3.1 交流永磁直线同步电机的控制策略的选择 . 264 3.2 交流永磁直线同步电机的数学模型 . 错误 !未定义书签。 5 3.3 交流永磁直线同步电机的矢量控制 . 错误 !未定义书签 。 7 3.4 脉宽调制技术 . 错误 !未定义书签。 1 第四章 全数字交流伺服控制单元的硬件结构及其设计 .14 4.1 引言 . 错误 !未定义书签。 4.2 控制系统硬件结构 .15 4.2.1 DSP 芯片的选择 146 4.2.2 功率驱动单元的设计与选型 错误 !未定义书签。 .28 4.2.3 磁极霍尔元件 . 错误 !未定义书签。 1 第五章 伺服系统的软件设计 .33 5.1 主程序结构 .33 5.2 主中断程序 .34 第六章 总结与展望 .39 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 参考文献 .40 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景和意义 高速化、精密化和模块化是现代制造技术的发展方向。进入 90 年代以来，高速加工迅速发展，在高速加工中心中，高速电主轴和快速进给伺服系统是其中两项关键技术，其中对进给伺服系统提出新的要求 1： 1）进给系统必须与高速主轴相匹配，速度达到 60m/min或更高； 2）加速度要大，这样才能在最短的时间和行程内达到要求的高速度，至少要 1 2； 3）动态性能要好，能实现快速的伺服控制和误差补偿，具有较高的定位精度和刚度。 现代高速机床上实现高加速度直线 运动有两种途径，一是采用滚珠丝杠传动，一是采用直线电机传动。前者采用旋转伺服电机驱动滚珠丝杠，这种进给系统所能达到的极限速度为 90 120m/min，最大加速度也只有 1.5g。 同时，由于电机到工作台之间存在大量的中间环节，如联轴节、丝杠等。在高速运行或完成复杂运动时，这些机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等会产生进给运动的滞后和其它一些非线性误差，使系统有较大的惯性质量，影响了对指令的快速响应。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下会产生较大变形，影响加工精度。为了克服传统进给系统的缺点，简化机床结构，满 足高速精密加工的要求，人们开始研究新型的进给系统，于是直线电机（图 1.1）开始作为进给系统出现在加工中心中，它取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，即所谓的“直接驱动”或“零传动”。这种机械上的简化使得外界及自身的任何扰动都会毫无缓冲的作用在直线电机上，因此对直线电机的伺服控制系统的性能好坏，又决定了直线电机的整体性能。 1 2 3 1电机定子； 2电机动子； 3工作台 图 1.1 交流直线电机进给系统 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 2 目前国外对直线电机的研究已处于应用阶段，技术已经很成熟，但价格昂贵，为了提高我国机床和制造业水平，国内已经开始了直线电机特别是机床进给系统用的直线伺 服电机的研究，但还处在探讨和试制阶段。为了掌握自己的知识产权，清华大学制造所于 1996年开始研究大推力、长行程交流永磁直线同步电机进给单元的 2。之前，第一代样机已经制造出来，但控制性能有待改善，有必要进一步研究直线电机的交流伺服控制单元。本课题是根据上述背景和研究所现有条件提出来，针对现有的样机进行了三相交流伺服控制系统的研究。 作为高速加工中心的关键功能部件之一，直线电机的核心技术和应用市场都被国外的大公司如 Anorad、 Siemens、 Kollmorgen、 Indramat、 Aerotech、 Park 等所拥有，因此自主开发一套直线电机及其伺服控制系统对于提高我国制造业水平和高速加工设备国产率有着较大的实际意义和经济价值。此外，直线电机还应用于军事、交通等领域，作为一种新技术有着很高的推广价值。 1.2 直线电机的运行原理及特点 1.2.1 直线电机的基本运行原理 所谓直线电机就是利用电磁作用原理将电能直接转换直线运动动能的设备。可以想象把旋转电机的定子和转子沿半径剖开后展平，可以得到直线电机的初级和次级，在实际应用中，为了保证在整个行程之内初级与次级之间的耦合保持不变，一般要将初级与次级制造成不同的 长度。直线电机与旋转电机类似，通入三相交流电流后，也会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场（图 1.2）。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，使初级和次级产生相对运动，这就是直线电机运行的基本原理 3。 图 1.2 交流直线电机气隙中的行波磁场 v 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 3 1.2.2 直线电机进给系统优缺点分析 现代制造技术的高速加工系统中，直线电机系统已成为标志性元件，直线电机的特点在于能直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转伺服电机滚珠丝杠”相比具有以下优点 4：（具体性能见表 1-1） 1没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，因此没有金属和金属的接触，除了直线导轨外没有其它摩擦； 2结构简单，体积小，以最少的零部件数量实现直线驱动，而且是只有一个运动的部件； 3行程理论上不受限制，而且性能不会因为行程的改变而受到影响； 4可以提供很宽的速度范围，从每秒几微米到数米，特别是高速是直线电机一个突出的优点； 5加速度很大，最大可达 10g； 6运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的缘故； 7精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节 ，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级； 8维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。 表 1-1 直线电机与“旋转伺服电机滚珠丝杠”传动性能比较 性能 旋转伺服电机滚珠丝杠 直线电机 精度（ m/300mm） 10 0.5 重复精度 ( m) 5 0.1 最高速度 (m/min) 20 30 60 200 最大加速度 (g) 0.1 0.3 2 10 静态刚度 (N/ m) 90 180 70 270 动态刚度 (N/ m) 90 180 160 210 速度平稳性 (%) 10 1 调整时间 (ms) 100 10 20 寿命 (h) 6,000 10,000 50,000 任何事物都有两面性，直线电机也有自身的缺点，主要表现在以下几点： 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 4 1存在纵向端部效应 首先，直线电机的结构特点导致绕组在电机中的几何位置不再具有对称性，对多相电机来说这种不对称性会造成各相参数的不对称性，从而引起电机性能的波动。另一方面，磁场在纵向端部断开并衰减，使行波磁场的基波减弱而谐波得到加强，导致电机推力密度下降、损耗增加，而且存在较大 的推力波动。直线电机中由于纵向端部的存在而引起的各种效应称为纵向端部效应（ End effect），直线电机的结构特点决定了纵向端部效应是不可避免的 5。 2 控制难度大 直线电机虽消除了机械传动链所带来的一些不良影响，但却增加了控制难度。因为在电机的运行过程中负载（如工件重量、切削力等）的变化、系统参数摄动和各种干扰（如摩擦力等），包括端部效应都直接作用到电机上，没有任何缓冲或削弱环节，如果控制系统的鲁棒性不强，会造成系统的失稳和性能的下降 4。在要求高精度微进给的场合，要求考虑更多的摄动和扰动等不确 定因素对进给运动的影响。 3效率低 由于结构上的限制，直线电机的气隙通常比旋转电机大，加上端部效应等造成的额外损耗，效率和功率因数均比旋转电机要低。 4成本高 直线电机的设计、制造、材料、防护和控制系统等成本均较高，随着技术的成熟和应用越来越广泛，直线电机的成本也将越来越低。 1.3 直线电机发展历史及其伺服控制系统的研究综述 1.3.1 国内外直线电机历史、现状及发展 1845 年英国人 Charles Wheastone 发明了世界上第一台直线电机，但这个直线电机由于气隙过大而导致效率很低，未获成功。在随 后的一个世纪里，直线电机由于效率低、开发成本高而被长期搁置，处于停滞状态。到了二十世纪中叶，控制、电子、材料等技术的发展，为直线电机的开发提供了理论和技术上的支持，直线电机开始进入新的发展阶段。二十世纪七十年代以后，直线电机应用的领域更加广泛，如自动绘图仪、液态金属泵（ MHD）、充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 5 电磁锤、轻工机械、家电、空气压缩机、半导体生产等。在这个时期，直线电机的应用逐步渗透到机械制造业，最先用在生产线上运送物料，后来应用到机床上，如高频响小行程直线电机被用来推动车床横向刀架，实现非圆截面零件的车削加工。 90 年代以后， 随着高速加工概念的提出，直线电机开始作为进给系统出现在加工中心中。由于直接驱动进给系统具有传统进给系统无法比拟的优势和潜力，再次成为各国制造业关注的焦点，直线电机作为一种机电系统，将精度要求很高而又笨重的机械部件“转嫁”于复杂的电气控制系统，这一思路符合现代机电技术的发展趋势。 目前国际市场的直线电机产品种类繁多，各有特色，美国的 Anorad 公司是世界上最著名的直线电机生产商，该公司在 1988 年就推出了无刷直流直线电机，并获得美国专利，他以永磁式直线电机为主，形成了不同结构不同功率的系列产品（图 1.3），广 泛应用于各种领域。 80 年代中、后期，致力于研制以直线电机为驱动的机床进给系统，成为这一领域的先驱者之一。 Siemens 公司也推出了 1FN1、 1FN3 等大中 型推力永磁直线同步电机（图 1.4），适合于加工中心进给系统的驱动。 此外， Kollmorgen 公司和德国的 Indramat 公司也推出了永磁直线电机，并进军制造业精密运动领域。 目前，国内直线电机的发展还处于实验室开发阶段，主要研究力量是大学和科研院所。将直线电机作为机床或加工中心进给系统研究的主要有广东工业大学、沈阳工业大学和清华大学等几所大学。 广东 工业大学成立了“超高速加工与机床研究室”，主要研究和开发“超高速电主轴”和“直线电机高速进给单元”。他们研究的是直线感应电机，开发了 GD-3 型直线电机高速图 1.4 Siemens 公司的永磁直线电机 图 1.3 Anorad 公司的直线电机产品 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 6 数控进给单元，额定进给力为 2000N，最高进给速度 100m/min，定位精度 0.004mm，行程为 800mm6。沈阳工业大学开始对永磁直线同步电机进行研究，并制造了推力为 100N 的样机。除了样机的研制外，他们研究的另一重点是直线电机的控制算法及伺服系统。 清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所针对高速加工中心进给系统的长行程、高推力永磁直线同步电机进 行了研究，现在已经设计出第二代样机，设计额定推力为 2800N。本课题研究的是用于该直线电机的全数字交流伺服控制系统，争取开发出具有自主知识产权的应用于高速机床进给系统的永磁直线同步电机伺服控制系统。 目前直线电机直接驱动技术的发展呈现以下趋势： 1部件模块化：包括初级、次级、控制器、反馈元件、导轨等部件模块化，用户可以根据需要（如推力、行程、精度、价格等）自由组合； 2性能系列化：由于直接驱动，不像旋转电机那样可以通过减速器的减速比、丝杠螺距等环节调节性能，单一性能的直线电机应用范围比较窄，因此性能的系 列化更丰富； 3结构多样化：直线电机一般直接和被驱动部件连接，为适应不同的安装要求结构必须多样化； 4控制数字化：直线电机的控制是直接驱动技术的一个难点，全数字控制技术是解决这一难点的有效方案。 世界上第一台在展览会上展出的直线电机驱动工作台的高速加工中心是德国 Ex-cell-O公司于 1993 年在德国汉诺威欧洲机床展览会上展出的 XHC240 型加工中心，采用的是德国Indramat 公司开发的感应式直线电机，各轴的移动速度高达 80m/min，加速度可达 1g。 图 1.5 安装直线进给系 统的高速加工中心 HVM800 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 7 Ford、 Ingersoll 和 Anorad 公司 在 80 年代中期的合作最初实现了直线电机在机床上的应用。 Ford 公司希望机床既高速、高精度，又高柔性。合作的结果是 Ingersoll 公司推出了“高速模块” HVM800，结构如图 1.5 所示。其三轴都安装了 Anorad 公司的永磁式直线电机，获得很好的性能 7。 国内一些公司和研究所也开始涉足机床的高速化工作。在第八届 CIMT 03 展览会上，北京机电院高技术股份公司推出了我国第一台采用直线电机驱动的加工中心（ VS1250 立式加工中心），该机床采用了 Siemens 公司的 1FN1 型直线电机和 840D 数控系统， X、 Y 轴 进给速度可达 62m/min，加速度可达 1g，主轴最高速 15000r/min。 据有关预测十五年后，将有 20的数控机床的所有轴都安装直线电机。除了切削加工机床外，各种机械加工机床如激光切割、等离子切割、电火花加工等设备也开始应用直线电机。因此，高推力直线电机有着非常广阔的应用前景！ 1.3.2 直线电机伺服控制系统的研究综述 目前旋转电机的伺服控制系统已经是很成熟的产品了，但作为一种直线电机进给系统，主要技术还局限于国外的几家大公司，国内的研究也就是处于起步阶段，沈阳工业大学直线电机的控制算法及伺服控制系 统进行了相关的研究取得一定的成果。针对高速进给系统用永磁直线同步电机的伺服控制系统，要提高其性能就要从直线电机结构和电气控制两方面着手研究，这包括理论研究和试验研究。 1.3.2.1 从直线电机的理论设计上提出改进直线电机的性能 永磁直线同步电机由于采用永磁体励磁，在有槽电机中会产生推力波纹、齿槽效应和端部效应。为了减小推力波纹，应使永磁同步直线电机的初级电流和空载反电势波形尽量接近正弦形。构造正弦波形气隙磁密或选择合适的次级磁铁形状及布置方式都能使初级反电势波形接近正弦波形。提高电机推力密度的同时如何减小 齿槽力是永磁直线电机要解决的问题，研究表明通过优化永磁体极距宽度、采用磁钢斜排、增大气隙、采用无槽结构、优化铁心长度等措施可以减小或消除齿槽力，但某些措施的采用会造成其它性能的减弱。为了研究端部效应对电机性能的影响，许多学者在建立直线电机数学模型时将端部效应的充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 8 因素考虑进去，减小端部效应可以从结构（如加入补偿绕组、改变端部形状）和控制（端部效应补偿）两方面采取措施。 1.3.2.2 从伺服控制器的设计上改进直线电机的性能 伺服控制系统是直线电机设计中的另一个重点和难点。这是因为：直线电机伺服系统运行时直接驱动 负载，这样负载的变化就直接作用于电机；外界扰动如工件或刀具质量、切削力的变化等，也未经衰减就直接作用于电机；电机参数的变化也直接影响着电机的正常运行；直线导轨存在摩擦力；直线电机还存在齿槽效应和端部效应。这些因素都给直线电机的伺服控制带来困难，在控制算法中必须针对这些扰动寻求相应的抑制或补偿方案，否则系统的稳定性很难保证。总的来说，直线电机伺服控制系统的设计应满足以下目的：稳态跟踪精度高、动态响应快、抗干扰能力强、鲁棒性好。不同的直线电机及其应用的场合对控制算法也有不同的要求，所以应根据具体情况采用合适的控 制算法。 适用于伺服控制系统的微机主要有微处理器、单片机和数字信号处理器。随着微电子技术和现代控制理论的发展，伺服控制系统逐渐迈向全数字化控制单元。其中 80 年代推出的 MCS 51 和 MCS 96 系列单片机，尤其是近几年迅速发展的含有高速数字信号处理器的控制芯片为伺服控制系统提供了高性能的硬件平台，能够满足现代控制算法的实现和实时控制要求。基于上述控制芯片能够实现复杂的控制，目前直线电机伺服控制系统采用的控制策略分析如下： 1传统的控制策略 传统的控制策略如 PID 反馈控制、解耦控制等，在交流伺服系统中得到了广 泛的应用。其中 PID 控制算法蕴含了动态控制过程中的过去、现在和将来的信息，其配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电动机驱动系统中最基本的控制形式，其应用广泛，并与其它新型控制思想结合，形成了许多有价值的控制策略。在要求实现微精进给、高速与超高速运行的高性能伺服系统中，滞后因素的影响将变的突出， Smith 预估器与控制器并联，可以使控制对象的时间滞后得到较好的补偿，这样在设计控制器时就不必考虑对象的时滞影响，对解决伺服系统中逆变器电力传输延迟和速度测量之后所造成的速度反馈滞后影响是十分有效的。在直线永磁 交流伺服电机系统中存在着多个电磁变量和机械变量，在这些变量之间存在较强的耦合作用，为了提高控制效果，在交流伺服系统中通常要求实现矢量充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 9 控制，矢量控制就是将三相电流矢量分解为两个独立的电流分量，以实现单独控制。一般是使磁场分量为零，使输出力与交轴电流具有线性关系。电流矢量与速度反馈回路也有耦合作用，在动态过程中，可以采用解耦控制算法加以解决，使各变量间的耦合减小到最低限度，以使各变量都能得到单独的控制 8。 2现代控制方法 随着科学技术的发展，对各种机械零件的加工精度要求愈来愈高，必须考虑控制对象参数乃至结 构的变化、非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变的不确定因素，才能得到满意的控制效果。在实际应用需求的呼唤下，在计算机高速度、低成本所提供的良好物质条件下，一系列现代控制方法应运而生，并应用于实际中，如非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、预见控制、鲁棒控制、辨识算法 8。现代控制算法都有很强的针对性和复杂的算法，选择时应结合应用场合和控制性能要求选择相应的控制策略。 3智能控制算法 从 60 年代起，为了提高控制系统的自学习能力，人们开始注意将人工智能 技术与方法应用于控制系统。对控制对象、环境与任务复杂的系统宜采用智能控制方法。模糊逻辑控制、神经网络和专家控制是当前三种比较典型的智能控制策略。针对直线永磁交流伺服系统的控制器设计，主要应用了神经网络的学习能力和模糊控制器的逻辑判断和推理能力。其中模糊控制器专用芯片已经商品化，因其实时性好、控制精度高，在伺服系统中已有应用。如图 1.6 是典型的模糊 PID 控制结构，这样根据输入差分等级不同建立相应的模糊控制规律或做相应的改进。神经网络的应用是与模型参考自适应控制相结合提出了模型参考自适应神经网络控制的一种新型控 制技术，它兼具了两者的优点，更进一步提高了直线电机系统的伺服性能。专家控制一般用于复杂的过程控制中，在伺服系统中研究较少。预计在不远的将来，智能控制策略必将成为交流直线电机伺服系统中最重要的控制方法之一 9 。 综上所述，可以看出直线电机的控制算法运算量较大，而且在高速加工进给系统的实r 比较 处理 模 糊 控制器 控制对象 u e e e2 y 图 1.6 典型的模糊 PID 控制结构 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 10 际应用实时性要求很强。因此，要提高直线电机伺服控制系统的总体性能，应选择高性能的运算单元和伺服控制方案。在高速加工中心进给系统中通常采用全数字驱动技术，以 PC机作为基本平台，采用 DSP 实现伺服控制。 1.3.3 试验研究 旋 转电机的试验技术已经很成熟，但是很少有专门介绍直线电机试验技术的文献，试验研究又在直线电机技术发展中的起很大作用。由于结构和运行方式均不同于旋转电机，因此，直线电机的试验方法也有其特殊性，需专门设计试验台和试验方法。 1.4 本文主要研究内容 本文研究了基于交流永磁直线同步电机的伺服控制单元，主要包括硬件的选型设计和软件控制算法的实现，并初步做了相关的验证性实验。主要内容包括： 1交流永磁直线同步电机伺服控制的总体方案分析； 2交流伺服控制单元硬件结构的分析和选型； 3交流永磁直线同步电机数学模型和控 制算法的研究； 4全数字交流伺服控制单元的软件结构和控制界面研究； 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 11 第 2 章 交流永磁直线同步电机基本结构 2.1 实验用交流永磁同步电机基本结构 本课题所用直线电机为我系自己设计开发的交流永磁同步直线电机，如图 2-2 所示。 此直线电机为平板式永磁同步直线电动机。在结构上主要由初级、次级、导轨、传感器、拖链等部分组成。初级和次级是直线电机产生推力的两个最重要的部件，他们的结构组成很大程度上决定了电机的性能。直线导轨起着支撑作用，使动子在运动中始终和定子保持固定的间隙。传感器主要有光栅 、磁极霍尔、电流霍尔。 2.2 初级结构设计 永磁同步直线电机的初级主要由电枢绕组和铝芯两大部分组成。电枢绕组由在同一平面上按照一定规律沿纵向排列并互相连接在一起的多组线圈构成；铝芯是被铣出具有一定槽型和齿型；绕组线圈有规律绕接在铝芯的齿槽中。电枢绕组由高耐热漆包线作为绕组线圈的导线，铝心既是绕组线圈的安装和支撑结构，也是电机的磁路组成部分。起着汇聚磁通、减小磁漏，提高气隙密度和推力的作用。 绕组的基本单位是线圈。每个绕组有两个直线边，分别嵌入在铝心的两个齿槽内，是图 2-2 交流永磁同步直线电机 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 12 绕组的有效部分，也是电磁能量转换的主要部分 。绕组的两个有效边沿纵向相隔的距离称为绕组的节距。当绕组的节距与极距相等时称为整距绕组，节距小于极距时称为短距绕组。根据每个齿槽内嵌入绕组边数的不同，绕组可以分为单层绕组和双层绕组，每个齿槽内嵌入一个绕组边时为单层绕组；每个齿槽内签入两个绕组边，且分为上下两层时，为双层绕组。单层绕组多为整距绕组，双层绕组多为短距绕组。根据每相每极分布的绕组边数不同，绕组可分为集中绕组和分布绕组。单层绕组每相每极仅有一个绕组边时为集中绕组，双层绕组每相每极有多于两个绕组边时为分布式绕组。分布式绕组对抑制谐波有好的效果，双层绕 组多采用分布式绕组。由于直线电机无法像旋转电机那样绕组线圈沿圆周分布，并最终首尾相连闭合，所以存在特有的端部效应。而双层短距分布绕组端部效应相比单层整距集中绕组更为明显，所以我们选择单层整距集中绕组。 通电线圈与对应的 N 极或者 S 极永磁体产生电磁作用。各线圈的感应力的方向相同时，合力才能最大，因此三相绕组的排列顺序不能随意变化。如果采用单纯的绕组平移，结果会出现“混相”，这样感应力的方向相反，部分力相互抵消，所以是不可取的。如果直接去掉某一槽中的线圈产生“空槽”，那么三相绕组的电参数出现不对称，会导致明显的推 力波动，不符合电动机设计的基本要求。本实验采用“绕组空槽法”，采用绕组重组产生空槽，保持原绕组各相的次序不变，仅变化空槽对应的绕组。这种接线方式没有使绕组浑相，各槽电流方向也同原来一样，保留了无空槽绕组的特性。 2.3 次级结构设计 次级主要由永磁体和纯铁底板组成。 1983 年问世的稀土钕铁硼（ NdFeB）是第三代稀土永磁体，稀土钕（ Nd）在稀土矿中含量丰富，价格低廉。钕铁硼永磁体的剩磁密度（ Br）达到 1.4T，矫顽力（ Hc）达到 990KA/m，最大磁能积 max).( HB 高达 390 3/ mKJ 。在一定温度范围内的退磁曲线呈直线。本实验设计的直线电机选择了我国生产的具有良好性能的稀土钕铁硼作为次极永磁体。高性能钕铁硼稀土永磁材料的性价比远远高于其它永磁材料，目前是高磁场永磁电机的首选材料。我国具有丰富的稀土资源，在成本方面具有发展高性能钕铁硼永磁电机的得天独厚的优势 12。 次极永磁体通过气隙与初级绕组和铁心相互耦合，在初级绕组中产生磁链，磁链的变化产生空载反电动势。反电动势是电动机最重要也是最基本的设计参数和性能指标，对电机推力性能有重要影响。理想 状态中，反电动势具有正弦形状的电动势波形，为了更加接近理想状态，磁钢的排列作了一系列改进。本实验中电机的极距为 30mm，磁钢宽度是 22mm，充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 13 厚 7mm。如图 2-3 所示，通过有限元计算比较，取jb=4， 020 时反电动势波形更为接近正弦波曲线，故在磁钢设计中采用此截面倒角设计。 用同样的方法计算，发现磁钢成平行四边形斜排所产生的推力扰动要比矩形直排小，故在磁钢排列中 也采用了平行四边形斜排设计，如图 2-4 所示 11。 把设计好的磁钢极性交替纵向排列粘贴在软铁板上。软铁板采用电工纯铁，它具有很高的饱和磁感应、低的磁滞损耗。起减小磁漏、提高气隙密度，从而增大推力的作用 13。 2.4 电机的装配 由于本文所设计的直线电机属于大推力电机，磁钢对初级铁心有很强的吸引力，为了顺利把初级装配到直线导轨上，且保证设计的精度要求，我们采用如下装配方法：将定子分成等长两段，先把导轨固定好，在一侧安装固定定子磁钢和纯铁板，把初级 动子推到没有安装磁钢的另一侧。安装完毕后把动子顺着导轨推到已 经固定好磁钢的一侧，然后把另一块定子磁钢安装固定。如图 2-5 所示： jb图 2-3 磁钢截面形状 矩形直排 平行四边形斜排 图 2-4 磁钢正面俯视排列 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 14 并在每个底座上设计一个定位销孔，来给磁钢纯铁板定位，有效地避免了磁吸力的干扰，而且动子分段后，各段的尺寸变小，有利于动子的储运、安装和防止变形。另外，定子磁钢对下方的铸铁底座也有很强的吸力，所以要有方便卸下定子的设计。本设计就是将定子分成等长两段，采用分别卸下的办法。在每段的纯铁板上置有若干螺孔，卸下时，先用螺栓将定子段顶离底座 5 10mm，然后水平拖出 14。 第 3 章 交流永磁直线同步电机的数学模型和控制算法研究 3.1 交流永磁直线同步电机的控制策略的选择 现阶段，同步电机的调速控制策略主要有两种，分别为矢量控制及直接转矩控制。为构成高性能伺服传动系统，首先要选择合适的控制策略。目前，直接转矩控制和矢量控制均有成功的应用实例，它们的应用研究仍在不断深入地进行着，不论何种控制方法，或多或少都会有其不足。但随着研究的深入，技术水平的提高，硬件条件的逐渐具备，许多问题都将会被解决 15。 对于交流电机来说，目前使用最广泛、并已在实际系统中应用的当属 1971 年由德国西门子公 司的 Blaschke 首先提出的矢量控制理论。此理论自诞生之日起，就受到人们的广泛重视，在理论、应用方面进行了深入的研究 16。从理论上讲，矢量控制是建立在被控对象准确的数学模型上，通过控制电机电枢电流实现电磁力矩控制。电机所产生的电磁力矩平图 2-5 直线电机装配过程 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 15 稳，电机可以运行的转速较低，调速范围较宽。电机启动、制动时，所有电流均用来产生电磁力矩，可以充分利用电机过载能力，提高电机启、制动速度，保证电机具有优良的启、制动性能 17 18。 直接转矩控制则不然，它只保证实际力矩与给定力矩的吻合程度，并根据力矩误差、磁链 误差及磁链所在扇区，选择主电路器件开关状态，使电机磁链按照指定轨迹运行。电磁转矩及磁链滞环控制时，电机转矩不可避免地存在脉动，直接影响电机低速运行平稳性和调速范围。另外，通过电机反电势积分求得定子磁链，这种磁链电压模型在低速时准确性很差，受逆变器死区时间、电机电阻及电压检测误差的影响，影响电机低速运行性能，影响电机转速运行范围。且电机静止需要启动时，因电机定子初始磁链位置未知，系统无法发出正确的控制信号，电机启动困难。通常是将电机转子拉到固定位置再进行启动 19。 矢量控制技术经历三十多年研究完善历程，在 调速系统中应用所获得的性能优异，不论在低速还是在高速，其抗扰特性、启制动特性、稳速特性均达到或者超过直流调速系统。在高精度传动系统中，调速范围达 104 1 以上，使用矢量控制技术的通用伺服传动系统调速范围达 5 103 1 104 1。而且目前，直接转矩控制用于控制永磁同步电机时，由于控制周期较长，电机定子电感又小，启动及负载变动过程中，电流冲击大，磁链及转矩脉动较大。如果在永磁同步电机上实施直接转矩控制，必须要有足够短的控制周期，才可改善系统的动静态性能 20。此外，低速情况下的磁链观测和转矩观测很难 准确实现，转矩及磁链难以实现高性能控制，电机的速度调节范围不宽。因此，在本实验中，我们选择矢量控制作为控制策略。 3.2 交流永磁直线同步电机的数学模型 交流永磁直线同步电机与旋转同步电机在数学模型上是统一的，都可以按电机统一理论进行分析。取永磁体基波磁场的方向为 d 轴， q 轴超前于 d 轴 90 度的方向，此坐标轴随电机转子以同步速旋转。则三相永磁同步电动机的 d、 q 轴电压方程为： drqqsq piRu （ 3-1） qrddSd piRu （ 3-2） 上式中，磁链方程为： qqq iL（ 3-3） 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 16 fddd iL （ 3-4） 带入上式 可得： frddrqqqsq iLpiLiRu （ 3-5） qqrdddSd iLpiLiRu （ 3-6） 上面各式中： dq uu ,-q， d 轴电压； qd ii ,-q， d 轴电压； qd LL ,-q， d 轴电感； SR -定子相电阻； r -转子电角速度； f-永磁体基波磁链； -微分算子； 永磁同步直线电机的电磁推力为： )(23dqqdne iipT （ 3-7） 其中 np 为电机极对数。将磁链方程代入上式得： )(23dqqdqfne iiLLiPT （ 3-8） 设 si 为定子电流合成空间矢量 ，则有： si = dq jii （ 3-9） si 与 d 轴间的角度为 ，则有： sinsq ii （ 3-10） cossd ii （ 3-11） 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 17 将式 3-10 和式 3-11 带入式 3-8 得电 磁转矩方程为 ： 2s i n)(21s i n23 2 sqdsfne iLLipT （ 3-12） 上式中第一项是由定子电流合成磁场与永磁体励磁磁场相互作用产生的电磁转矩；第二项是磁阻转矩，它是由转子凸极效应引起的，并与两轴电感参数的差值成正比 15 16。 当qd LL 时，上式为： s in23 sfne ipT （ 3-13） 本永磁直线同步电机采用平板式结构，初级为三相分布绕组，次级为交替排列的永磁体。初级通入三相对称交流电时，产生的行波磁场和次级磁场相互作用产生直线推力。采用矢量控制策略， d 轴