（电力电子与电力传动专业论文）永磁同步直线电机的矢量控制.pdf

a b s t r a c t l i n e a rm o t i o ni sw i d e l yu s e di ni n d u s t r ya u t o m a t i o n w i t h o u ts p e c i a l m e c h a n i c a l a d i u s t m e n 馈l i n e a rm o t o rg e tl i n e a rm o t i o nd i r e c t l y w i t han u m b e ro fb e n e f i t si n c l u d i n g l l i 曲p e e d ，h i g hp r e c i s i o n ，f a s tr e s p o n s e ，a n dz e r ob a c k l a s h e s ，l i n e a rm o t o rw i l lh a v ew l d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t t h i st h e s i sa n a l y z ei nd e t a i lt h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fp e m a i l e n t m a 匦e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r s b a s i n go nt h eu n i f i c a t i o nt h e o r yo fm o t o r s ，t h e 蝴 h 鹊e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ep m l s m i n 口_ b cc o o r d i n a t e s ，m 咖 c o o r d m a t e s 龇l di n 口一c o o r d i n a t e s ， r e s p e c t i v e l y ， v i ac o o r d i n a t e s t r a n s f o r m a t i o n c o n s i d e 血g 龇n o n 1 i n e a r i t ya n dc o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i co fp m l s m ，t h e a u t h o rh a sa p p l l e da 蛐g y o fi d = 0 t h ev e c t o rc o n t r o lc a l li m p r o v et h et h r u s tc o n t r o lp e r f o r m a n c eo f p m l s m ， b u td l l et os o m eu 1 1 c e r t a i nr e a s o n sd u r i n gt h ec o n t r o lp r o c e s sa n ds o m ed i s t u r b s o rs o m e u n c e r t a mf 萏c t o r so fp m l s m ，t h ec o n t r o l l e r sd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h ed r i v ew i l lb e c o m e b a d 1 1 1 e 托a d i t i o r l a lp i dc o n t r o l l e rc a l ln o ts a t i s f yt h er e q u e s t so fh i g h p e r f o r m a n c ec o n t r o l ， s u c ha sa c c u r a t es p e e do rt o r q u ec o n t r o la n dr o b u s t n e s s a 如z z vp i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db yc o m b i n e df u z z yc o n t r o lw i t hc o n v e n t i o n a lp i d c o r l n 0 1i 1 1t b j sn l e s i s t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u s m o t o r ( p m l s m ) a n d t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sb u i l tb ym a t l a b s i m u l i n k s i m u l a t i o n 锄d e x p e r i i l l c n tr e s u i t ss h o wt h a tt h ef u z z yp i dc o n t r o l l e ri ss u p e r i o rt o t h ec o n v e n t i o n a lp i d s p e e dc o l l 仃o l l e ri nd y n a m i cs t a b i l i t yp e r f o r m a n c e ，t h i sm e t h o dc a n r e d u c et r a n s i e n ta n ds t a b l e t h r u s tr i p p l ea n dh a ss t r o n gr o b u s t n e s st ol o a d d i s t u r b a n c e k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ；v e c t o rc o n t r o l ；f u z z yp i d c o n t r o l u 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 粥导日期：1 咿7 年月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：孙宗宁 导师签名： 日期：卯7 年月日 日期9 7 年多月乒日 硕十学位论文 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 在许多工业领域中，被控对象的运动路径往往是直线形式。长期以来人们都 是通过旋转电机加上机械变换环节获得最终的直线运动、单向位移或者双向往复 位移。显然，这种获得直线运动的方式具有“间接 的性质。而直线电机可以将 电能直接转换成直线运动机械能，无需中间机械传动变换装置，具有速度快、结 构简单、工作稳定、灵敏度高、成本低等优点。但是由于直线电机本身理论上和 技术上不够完善，控制理论的不成熟等缺点，一直限制着直线电机的发展。 2 0 世纪下半叶，随着电工领域中新原理、新材料和新技术的出现，如图1 1 所示，直线电机开始逐步取代原来利用旋转电机加中间转换装置来产生直线运动 的系统，它的地位显得越来越重要1 2 j 。目前在交通运输、机械装卸、机械加工、制 造自动化、仪器设备、家用电器等很多方面都有直线电机的应用实例。 i 新技术 ll 微计 电算 子机 图1 1 新理论、新材料、新技术发展框图 对于直线电动机而言，按其工作原理分类如图1 2 所示，其中永磁同步直线电 机( p e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ) 利用高能永磁体，不但具有直 线电机的优点，而且还有体积小、高可靠性、高效率等优点，在推力、速度、定 位精度等方面也比其它直线电机有着更多的优势；再者，我国拥有非常丰富的稀 土资源。因此，p m l s m 越来越被业内人士所重视，将有很好的发展空间。 矢量控制理论于1 9 7 1 年，由德国的f b l a s c h k e 和美国的p c c u s t m a n 、 a a c l a r k 分别提出，通过实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的 解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调 速系统的动态性能得到了显著的改善和提高。在之后3 0 多年的工业实践中不断改 进，技术已趋成熟，已广泛应用于高性能的交流伺服系统口1 。 永磁同步直线电机的矢量控制 直 线 电 动 机 交流直线感应电 动机( l i m ) 交流直线同步电 动机( l s m ) 直线直流电动机 ( l d m ) 直线步进电动机 ( l p m ) _ 一 混合式直线电动 机( l h m ) 微特直线电机 电磁式( e m ) l s m 永磁式( p m ) l s m 可变电阻( v r ) l s m 混合式( h b ) l s m 超导体( s c ) l s m 电磁式l d m 永磁式l d m 无刷l d m v r 形l p m p m 形l p m 图1 2 直线电动机按原理分类 直线电机的原理与旋转电机相同，因此对于直线伺服系统矢量控制仍不失为 好的控制策略。然而，由于直线电机采用了直接驱动，系统更容易受到外部扰动 和参数变化的影响，这些都将直接反映到直线电机的运动控制中，而没有任何中 间环节的缓冲，这就增加了控制上的难度。此外，直线电机的定子和动子的长度 和宽度都是有限的，存在“边端效应 ，即电磁回路不对称造成了励磁电流不平 衡，两端存在过渡现象，因此电机损耗增加，出力减小h 1 。直线电机的这些缺点， 表现为系统的非线性更加明显，要建立准确的数学模型更加困难，用常规的控制 方法就难以达到高性能控制的目的。因此，采用传统p i d 控制器的矢量控制系统很 难满足高性能的直线伺服系统对于动态性能和鲁棒性的要求，必须采取有效的控 制策略来削弱扰动对系统性能的影响。 模糊控制是智能控制的一个重要分支，它不依赖于精确的数学模型，对不能 准确确定控制对象数学模型的系统有很好的适应性，能够刻画出输入输出之间的 非线性关系，具有鲁棒性好，算法简洁等优点。因此，将传统的p i d 控制器和模糊 控制相结合形成模糊p i d 控制器，其目的就是利用模糊推理实现p i d 控制参数的在 线自整定，使系统达到理想的控制效果，提高系统的鲁棒性哺儿引。 本课题针对在精密加工、电子装配线和仪器仪表等行业有广泛应用的小型永 磁同步直线电机，提出了采用模糊p i d 速度控制器的矢量控制，以提高系统的动态 性能及鲁棒性，为实现高性能直线伺服系统奠定了基础。 2 硕十学位论文 1 2 永磁同步直线电机的发展现状 永磁同步直线电机的发展，主要受到了永磁材料和直线电机两者发展的影响。 所以，下面先对两者的发展做一下简单的概述，然后介绍永磁同步直线电机的国 内外的发展状况。 1 、永磁材料对永磁电机的影响： 目前使用的电机大多数采用电励磁，而永磁电机则是采用永磁体来产生电机 磁场的。其实世界上的第一台电机就是永磁电机，限于当时永磁材料的磁性能很 低，很快被电励磁电机取代。本世纪四十年代以后，出现了具有较高剩磁的铝镍 钴和较高矫顽力的铁氧体永磁材料，使永磁电机又重新获得生机。但铝镍钴材料 易被去磁，铁氧体材料剩磁低，它们的使用范围仍受到一定限制。直到六十年代 后期，随着高性能的稀土永磁材料的出现，才给永磁电机的发展带来了光明。 稀土永磁材料作为磁极，具有结构简单，体积小，重量轻，高效节能等一系 列优点，无论是作为发电机还是电动机都具有非常优越的性能，稀土永磁电机正 作为一种更加理想的电机类型而成为电机行业的热点。 1 9 8 3 年，日本住友公司推出了第三代高性能稀土永磁材料钕铁硼。钦铁硼的 问世可以说是永磁材料领域一个划时代的突破，被列为1 9 8 3 年世界十大发明之一。 稀土永磁电机以其优越的性能已成为电机领域的后起之秀。现代稀土永磁电机正 朝着大功率化、高性能化、微型化的方向发展，随着永磁材料的不断更新，永磁 电机理论和设计的不断完善，以及电机控制技术和其它相关技术的不断发展，永 磁电机必将对现代工业生产水平的提高发挥更大的推动作用。 2 、直线电机发展历程： 直线电机的发展主要经历了探索实验、开发应用以及实用商品化三个阶段： 1 ) 探索试验阶段( 1 8 4 0 - 1 9 5 5 年) 这一阶段，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索、 屡遭失败的过程订1 。从1 8 4 0 年到1 9 3 0 年前后，直线电机处于孕育和萌芽时期；从 1 9 3 0 年到1 9 4 0 年期间，直线电机进入了实验研究阶段，人们将直线电机理论及各 种设想模型予以证实，并获取了大量的实验数据，对己有理论有了更深的认识， 奠定了直线电机在今后的应用基础；从1 9 4 0 年到1 9 5 5 年期间，世界上一些发达 国家的科研人员，在实验的基础上，又进行了一些应用工作。这一阶段中，尤其 值得一提的是，直线电机作为高速列车的驱动装置得到了各国的高度重视并计划 予以实施。1 8 4 0 年到1 9 5 5 年是直线电机探索实验和部分实验应用阶段，在直线电 机与旋转电机的相互竞争中，由于直线电机的成本和效率方面没有能够战胜旋转 电机，以及直线电机在设计方面也没有突破性的成功，所以直线电机在这一时期 始终未能得到真正的应用。 3 永磁同步直线电机的矢晕控制 2 ) 开发应用阶段( 1 9 5 6 - - - 1 9 7 0 年) 这一阶段可以说是直线电机的“文艺复兴时期 。控制技术和材料技术的快速 发展加快了直线电机的开发应用。如日本基于直线电机的新干线技术的成功，使 感应式直线电机开始应用在高速铁路上；1 9 6 3 年日本钟通先生成功研制出双边型 直线电机驱动转台；1 9 6 5 年美国s k i n n e r p r e c i 公司开始出售圆柱型直线电机； 1 9 6 8 年开始出现直线步进电机，并应用在自动绘图仪上；此外还有m h d 泵、磁头 定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等等。 3 ) 商品化阶段( 1 9 7 1 年至今) 从1 9 7 1 年开始，直线电机终于进入了使用商品化阶段。在这个时期，各类直 线电机的应用得到了迅速的推广，研制成了许多具有实用价值的装置和产品，例 如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各 种电动门、电动窗、电动编织机等等。在这个时期，直线电机领域的研究人员通 过对直线电机在历史发展中多次起落的分析，终于找到了一条适合直线电机自身 发展的道路，直线电机的开发和应用趋向成熟。同时，随着直线电机的迅速发展， 对直线电机技术人员的需求大大增加，也促使了世界各国越来越重视直线电机人 才的培养和教育，在德国、法国、英国甚至瑞士、瑞典的大学里，都设有直线电 机专业课和直线电机研究室。 从上面的永磁材料和直线电机发展的概述中，我们可以看出永磁同步直线电 机的发展是受两者发展情况制约的。只有两者都真正有所突破，才能带动永磁同 步直线电机的发展。 3 、永磁同步直线电机的国内外发展状况： 从永磁同步直线电机以往的发展历史来看，直到上个世纪6 0 年代后期，随着 高性能的稀土材料的出现，永磁同步直线电机才开始在一些领域得到应用。但主 要用在简单的运输、传送等，并未涉及到精密控制的伺服控制系统。直到上个世 纪末期，才真正开始用于精密控制领域。目前，永磁同步直线电机及其驱动器的 生产技术和应用技术在工业发达国家正处于发展阶段，并作为一种崭新的进给方 式呈现出极大的生命力，西方国家已有十多个著名的公司生产不同种类和型号的 直线电机及驱动器阻1 。 美国a n o r a d 公司是国际上最大的直线电机供应商之一，从8 0 年代初开始自 行研制直线电机，主导产品是正弦波永磁交流直线电机和方波无刷直流直线电机， 其应用的典型实例是：2 0 世纪9 0 年代为美国i n g e r s o l l 铣床公司生产的高速卧式 加工中心h v m 8 0 0 和x 、y 、z 轴均采用永磁式同步直线伺服电动机驱动的h v m 6 0 0 。 其最大进给速度为7 6 2 m m i n ，加速度a - ( 1 1 5 ) g 。这轰动了当时的国际机床界， 被誉为是世界机床技术的新高峰。 美国的k o l i m o r g e n 公司是世界上著名的工业运动控制厂家，其提供的永磁式 4 硕十学位论文 直线伺服电机有两大类型：种是动子无铁心结构，具有极高的动态性能，在速 度低于6 0 m m i n 时仍能平滑运动；另一种是动子有铁心结构，可获得高达8 0 0 0 n 推力。由于永磁体采用了模块化设计，定子的长度可根据用户需要加长，可达到 1 0 0 0 m m 以上，最高速度可达3 0 0 m m i n 。 德国s i e m e n s 公司的永磁式直线同步电机最大移动速度可达2 0 0 m m i n ，最大 推力可达6 6 0 0 n ，最大位移5 0 4 m m ，适用对象为高速铣床、曲轴车床、超精密车床、 磨床、激光车床等。 在我国自2 0 世纪7 0 年代初，开始研究直线电机起，就开始了对永磁同步直线 电机的研究。先后在中国科学院、清华大学等多所科研单位进行理论研究和应用 研究，并取得一定成果。如清华大学在音圈式永磁直线电机的电磁分析、结构设 计和伺服控制等方面做了长期深入的研究，技术成果己经应用于中凸变椭圆活塞 数控车床中。并从1 9 9 6 年开始对适用于高速加工机床的高推力永磁同步直线电机 及其数字伺服驱动技术进行了深入的研究与实践；沈阳工业大学对永磁直线同步 电机进行了研究，并制造了推力为l o o n 的样机阳儿1 0 1 。 但是我们应该清楚地看到，目前，国内永磁同步直线电机的发展特别是精密 伺服系统的研究还处于起步阶段，主要研究力量是大学和科研院所。而国外永磁 同步直线电机伺服技术已进入工业化应用阶段，我们与其差距甚大。而且关键技 术基本上为各大制造商所掌握并视为商业机密很难从科技文献和i n t e r n e t 网上 资源中查到有价值的详细技术内容。因此要发展我国的永磁同步直线电机伺服技 术建立相关产业就必须走自主研发的道路。 1 3 永磁同步直线电机的控制理论与控制策略 1 3 ip w m 技术 p w m 技术即脉宽调制技术，是指利用半导体开关器件的通断把直流电压变成一 定的电压脉冲序列，实现变压、变频及消除谐波的目的。在电气驱动中，电压s p w m 控制、空间电压矢量p w m ( s v p w h ) 控制以及电流跟踪p w m 控制是常用的方法曲】。 s p w m 是将调频调幅的正弦信号作为调制波，与高频三角波作为载波比较后得 出的一系列等幅不等宽的矩形脉冲，且矩形脉冲和相应的正弦部分面积相等。图 1 3 给出了s p w m 的原理示意图。 当载波与调制波相交时，由该交点确定逆变器一个桥臂开关器件的开关动作 时刻及开关通断状态，获得一系列宽度按正弦变化的正负矩形脉冲电压波形。可 以证明，当脉冲数足够多时，逆变器输出相电压的基波幅值和调制波幅值相等， 即s p w m 逆变器输出的脉冲的基波就是调制时所求的等效正弦波。s p w m 容易实现对 5 永磁同步直线电机的矢量控制 电压的控制，控制线性度好，但存在电压利用率低的问题。采用一般的线性调制 方法，调制波幅值不能超过载波幅值，所以电压s p w m 输出的相电压基波幅值最大 可以达到母线直流电压的一半，即= 0 5 ，电压利用率不高。 mi 烈八 r 一 4vv n 柚u d 1 图1 3s p w m 原理示意图 电流跟踪p w m 控制，实际是对输出电流进行跟踪控制，基本思想是将设定电 流与反馈得到的实际输出电流相比较，通过控制逆变器三对上下桥臂的通断，不 断调整输出电流值，使三相输出电流能跟踪设定电流。电流跟踪p w m 控制有多种 型式，其中最常用的是电流滞环跟踪p w m 控制。通过控制逆变器桥臂上、下功率 开关器件的通断，使逆变器输出电流与设定值的偏差保持在一定的误差范围内， 当设定电流是正弦波时，输出电流接近正弦。电流滞环跟踪p w m 控制模型简单、 控制精度高、响应快，但与s p w m 和s v p w m 相比，其存在开关频率不固定的缺点， 在实现时受到功率开关器件最高开关频率及控制系统响应时间的限制。其输出电 压、电流波形如图1 4 。 图1 4 电流滞环跟踪波形 空间电压矢量p w m ( s v p w m ) 实际是磁通p 删，其特点是从电机角度出发，着 眼于通过控制电机端电压，使电机获得幅值恒定的空间旋转磁场n 朝。由于是直接 对电机磁通进行控制，从电机控制角度讲，其效果也更好。与s p w m 相比，它主要 有以下几个特点： ( 1 ) 适合数字实现：每次开关切换只涉及到一个开关器件，开关损耗小； ( 2 ) 采样时间t 的长短决定电机旋转磁场逼近圆形的程度，t 越小，越逼近圆 6 硕士学位论文 形，但t 的减小受到所用功率器件允许开关频率的制约； ( 3 ) 逆变器输出电压基波最大幅值为直流侧电压，比一般的s p w m 逆变器输出 电压高1 5 。 s v p w m 可以用于开环控制的逆变器中，但作为磁链跟踪p w m 控制，一般采用闭 环控制的方式。逆变器输出的电压矢量不是任意选择的，而是通过电机磁链反馈 量来决定电压矢量，保证电机得到幅值恒定的空间均匀旋转磁场。 1 3 2 永磁同步直线电机的控制策略 永磁同步直线电动机的矢量控制与异步电动机、电励磁同步电动机一样，都 是一种基于磁场定向的控制策略。但是前者由永磁体转子提供恒定的磁场，而且 结构和参数与异步电动机、电励磁同步电动机也有所不同，故控制方法也有所不 同。其控制策略有如下几种： 1 ) 屯= 0 控制 这种方法电路简单，易于实现，应用最为普遍。它是控制逆变器的导通角使 相电流的相位与反电动势的相位一致，这时有屯= 0 ，电枢电流矢量与永磁铁的磁 链正交，实现了推力与磁链的解耦。电枢反应中没有直轴去磁分量，不会引起永 磁铁退磁。但电枢反应仍存在于交轴，随着负载的增大，功率因数将降低，而电 机的端电压将升高。这就要求逆变器有较高的电压输出能力，容量要比较大。显 然逆变器的工作状态随负载增大而变差。 2 ) c o s q ) = 1 控制 这种控制方式是使电枢电流与端电压保持同相位，这样功率因数始终为1 。在 永磁同步直线电机中由于无法调节励磁，在负载变化时，电枢绕组的总磁链无法 保持恒定，所以电枢电流和推力之间不能保持线性关系。 3 ) 力矩线性控制 按一定的方式控制电枢电流，可使永磁同步直线电机输出的推力和电流之间 保持线性关系。 4 ) 总磁链恒定控制 通过使电机的端电压保持恒定，即可使气隙磁链为恒定值。 对于某种特定的电机来说，究竟采用哪种控制方式，需根据其推力与电流之 间的线性度，控制过程中电机端电压的允许变化范围，功率因数和电枢反应的去 磁效应等几方面的因素进行综合比较后来确定。 1 3 3 速度环的控制策略 在高精度的直线需驱动系统中，由于对直线电动机控制要求很高，所以必须 7 永磁同步育线电机的矢晕控制 从更高的层次来考虑一些更细微因素对系统性能的影响，如：系统的非线性和耦 合性、参数摄动、负载扰动、永磁体充磁的不均匀、动子槽内磁阻的变化、环境 温度和湿度的变化、电流时滞谐波、磨擦的非线性、推力变化等，这些都将使系 统性能变坏，难以满足高精度矢量控制的要求。 因此，就必须采取有效的控制策略来抑制这些因素对系统的影响。而且，在 采取各种控制方法时，必须从永磁同步直线电机矢量控制系统是一个具有高度快 速性的动态系统这一特性出发，不可能在很短暂的动态调节过程中实现十分复杂 的控制算法。同时，要针对产生扰动的不同原因的特殊性，以相应见长的控制策 略对付之。系统另一个重要性能就是其对指令的跟踪能力，在理想情况下，输出 能无延迟、无超调地跟踪输入指令的变化。一个成功的控制策略，要针对具体对 象的特点，在满足主要要求的同时，还要兼顾跟踪能力和抗扰能力。在直线交流 伺服系统中应用的控制策略大致归纳如下： 1 ) 传统的控制策略 p i d 控制是一种经典的传统控制策略，在交流系统中得到了广范的应用。其控 制算法蕴涵了动态控制过程中的过去、现在和将来的信息，而且其配置几乎为最 优，具有较强的鲁棒性。 2 ) 现代控制策略 在对象模型确定、不变化且为线性，以及操作条件、运行环境确定不变的条 件下，采取传统控制策略是简单有效的。但在高精度、高性能场合，就必须考虑 对象的结构与参数变化、各种非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等时 变和不确定因素，才能得到满意的控制效果。因此现代控制策略如自适应控制、 变结构控制、预见控制等，在直线伺服电动机控制的研究中引起了很大的重视。 3 ) 智能控制策略 被控对象、环境及任务复杂的系统宜采用智能控制方法。较典型的智能控制 策略有：模糊控制、神经网络和专家控制。其中模糊控制器专用芯片巳商品化， 因其实时性好、控制精度高，在伺服系统中已有应用。且其算法简单易于实现， 因此本文采用了模糊p i d 速度控制器，以期实现高性能矢量控制系统。 1 4 本文研究内容 论文在详细推导永磁同步电动机数学模型的基础上，采用了磁场定向控制策 略。对该策略进行分析，并分别建立了电机和矢量控制系统的仿真模型。针对永 磁同步直线电机矢量控制系统采用传统p i d 速度控制器时控制效果不佳的问题， 提出了采用模糊p i d 速度控制器代替传统p i d 速度控制器，以提高系统的控制性 能，章节具体安排如下： 8 硕十学位论文 第1 章简要地介绍了永磁同步直线电机的现状和发展趋势，介绍了相关的 控制理论和控制策略，并给出了本文的研究内容。 第2 章首先介绍了永磁同步直线电机的原理、结构，推导了其数学模型： 第3 章分析了磁场定向控制p m l s m 系统并给出系统框图。分析了永磁同步 电动机的启动问题；介绍s v p w m 的原理，通过对其算法的研究给出了实现的方法； 给出m 法、丁法和m r 法3 种测速的方法。 第4 章分析了传统p i d 控制和模糊控制的原理及特性，将传统p i d 控制与 模糊控制相结合设计出一种新型的可参数自整定的模糊p i d 控制器，并对设计过 程进行了详细论述。最后分别对传统p i d 控制器和模糊p i d 控制器的阶跃响应进 行仿真。 第5 章详细介绍了永磁同步直线电动机矢量控制系统的硬件和软件设计方 案。设计出了主电路、检测电路和保护电路；在软件实现方面，介绍了整体软件 设计思路，给出了主程序、主控程序、模糊p i d 程序模块、电流p i 调节模块和s v p i n ! 模块的软件流程框图。 第6 章建立了永磁同步直线电机及其磁场定向矢量控制系统的仿真模型， 并对分别采用传统p i d 速度控制器和模糊p i d 速度控制器的系统进行仿真，对仿 真结果进行分析并给出结论。 9 第2 章永磁同步直线电机数学模型及其矢量控制 21 永磁同步直线电机的结构和基本工作原理 在介鲥水磁同步直线电机之前我们先柬了解一下什么足直线电机。占线电机 是直接产生直线运动的电磁装置，可看成是由旋转电机演化而沫的，设想把图2 1 中的旋转电机沿径向剖开，并将圆刷展丌成直线，就得到了图22 中的直线电机。 图21 旋转电机示意图图22 直线电机示意图 如图22 所示，图中l 部分称之为直线电机的次级( 定于) ，2 部分称之为直线 电机的初级( 动了) ，它们分别相当于旋转电机的转子和定子。旋转电机的径向、 周向和轴向，在直线电机中对麻地称为法向、纵向和横向。 图23 直线电机平台实物圄 硕士学位论文 图2 3 是直线电机工作平台的实物照片，直线电机平台包括：直线电机本体( 动 子部分和定子部分) 、底座( 固定定子部分、导轨及光栅尺) 、滑动块( 固定动 子) 、导轨、光栅尺、导线盒( 保护电机的导线) 、限位开关等。 永磁同步直线电机和直线感应电机是直线电机中最主要的两类，各有其优缺 点。永磁同步直线电机的优势在于：单位尺寸有更大的出力，发热少，冷却要求低， 长次级不需冷却。缺点在于：永磁体的安装和操作较为困难；永磁磁场吸引铁屑， 实际加工时排除铁屑比较困难；需要安装位置传感器对电机进行换向控制；永磁 体有可能退磁。直线感应电机的优势在于：其次级结构简单，安装、维修和除屑 容易。因为不使用昂贵的永磁体，在长行程的应用场合可降低成本。缺点在于： 由于采用电励磁，因此效率低，发热大，次级也需要冷却；气隙公差严格，加工 成本高；需要复杂的矢量变换技术，控制算法远比永磁同步直线电机的控制算法 复杂n 1 。 虽然永磁同步直线电机和直线感应电机各有优缺点，但目前看来，永磁同步 直线电机的优点更多。特别是随着高磁能积、高矫顽力的磁性材料钕铁硼( n d f e b ) 的出现，永磁同步直线电机的优点更加明显。所以永磁同步直线电机更适合用于 直线伺服单元驱动，下面就对永磁同步直线电机( p m l s m ) 的结构和基本工作原理加 以说明。 根据永磁体的安装位置，永磁同步直线电机分为表面磁极型和内部磁极型。 用于伺服目的的永磁同步直线电动机一般采用表面磁极的结构，其凸极效应很弱， 气隙均匀且有效气隙大。根据动子和定子的结构，永磁同步直线电机有单边平板 式、双边平板式和圆筒形。下面以单边平板形永磁同步直线电动机为例，如图2 4 为永磁同步直线电机的横向剖面图。其结构是在定子( 次级) 上沿全行程方向的 一条直线上，一块接一块地安装n 、s 永磁体。而对于动子在其下方开有均匀的齿 槽，在齿槽里对应地安装着电枢绕组( 永磁同步旋转电动机则是转子上安装永磁 体，定子上含有电枢绕组) 。动子运动时要带电缆一起运动，光栅尺要选择安装在 定子上。 铁轭 嘶 q 轴 图2 4 永磁同步直线电机剖面结构图 直线电机不仅在结构上与旋转电动机相类似，而且工作原理也是相似的。如 图2 5 所示为永磁同步直线电机工作原理示意图。在这台永磁同步直线电机动子的 三相绕组中通入三相对称正弦电流后，同样会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心 永磁同步直线电机的矢晕控制 两端断开而引起的纵向端部效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电动机的相 似，即可以沿展开的直线方向呈正弦分布，并且将按a ，b ，c 或a ，c ，b 相序沿直 线运动。这个原理与旋转电机的工作原理相似，差异在于：直线电机的气隙磁场是 沿直线方向平移的而不是旋转的，因此，该磁场称为行波磁场。显然，行波磁场 的移动速度与旋转电动机在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为v 。( m s ) ，称为 同步速度，且有v 。= 2 f c 。 对于永磁同步直线电机来说，永磁体的励磁磁场与行波磁场相互作用便会产 生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，由于定子固定不动，那么动子就会沿行 波磁场运动的相反方向作直线运动，其速度与同步速度相同。这便是永磁同步直线 电机的基本工作原理。 _ + 1 ，j 图2 5 永磁同步直线电机工作原理图 2 2 永磁同步直线电机的数学模型 直线电机的运行原理与旋转电机一样，都是利用导体在磁场中受到电磁力的 作用这一基本原理，这样，直线电机的运行速度、运行距离分别与旋转电机的转 速、角位移相对应，而旋转电机的旋转磁场、转矩在直线电机中分别变成了平移 磁场和推( 拉) 力n 们n 钉。因此，在分析直线电机时，可以利用现有的对旋转电机的 研究成果，将直线电机的一些物理量“折合 到旋转电机的方程中去。 为了简化分析，我们现作如下假设：( 1 ) 磁场沿气隙正弦分布；( 2 ) 磁饱和效应 和涡流损耗、磁滞损耗可忽略不计；( 3 ) 不考虑温度和频率变化对电机的影响。 根据上述假定，永磁同步直线电动机的数学模型由两部分组成，即电动机的 机械模型和绕组电压模型n 引。其中，电动机的机械运动方程是固定的，不随坐标 系的不同而变化，电机的机械运动方程为： e = 兄+ s , v + m p v ( 2 1 ) 式中e 电磁推力； e 负载阻力； 鼠粘性摩擦系数； m 运动部分质量，m = 鸠+ 鸩； m 动子的质量； 肘：动子带动的负载质量； 1 2 硕七学位论文 鼍。；= = = = = = 目= ；口= = = ：= ；$ = ；= m = = = - - = - = - - 鲁鼍皇鲁曼量鼍皇皇曼曼量曼曼曼皇皇皇寡 根据假设，下面分别建立p m l s m 在a 而一c 、口一卢和d - q 坐标系下的状态方程。 2 2 1a 而一c 坐标系下的电机模型 在三相静止坐标系a - b - c 下，三相永磁同步直线电动机的初级电压方程为n 刀： 配= 戤+ 职 ( 2 2 ) 式中 玑初级电压向量玑= 【u b 丁； 咫初级绕组电阻矩阵咫= d i a g ( r ，) ； 初级电流向量= 【屯之】2 ： p 微分算子； 虬初级磁链向量虮= 【虬】7 ，与转子位置和绕组电流有关。 设三相绕组的自感系数和互感系数分别为叩、工6 6 、三c 。和此6 、尥。、口、 胁p 地、必6 ，永磁体的等效电流为f 厂，等效互感系数为坛厂、坞厂、蚴。则可 得永磁同步直线电机的三相绕组的磁链方程： 陋l 驴 o j = 萎薹攀胜 + i 瓷卜 c 2 3 ， i l = l 吮k 帆| + | 朋6 ，i f ， ( 2 3 ) l _ 虬帆k 儿jl 屹i k = k = k = 工= 厶+ 厶 帆m 帆= 虬= l c o s ( 2 x 3 ) = 0 5 l 心= 竹c o s ( o ) ( 2 4 ) m 嗲= m fc o s ( o 一2 z 3 ) m 哼= m fc o s ( o + 2 z 3 ) 式中 三= + l ； 厶初级自感； 初级漏感； m ，永磁体等效互感系数； 0 d 轴与口轴夹角； 则( 2 3 ) 式可写成： 篡三魂5l-05 l 0 | i ， i 三 | j i 2 2 2 a p 坐标系下的电机模型 m f c o s ( o ) + i 呜州曰一争l f ， 屿c o s ( 口+ 了2 ：t l ) ( 2 5 ) 电流空间矢量在a 而一c 与a - p 问的坐标变换关系如图2 6 所示。根据坐标变 换理论，将三相a 6 一c 定子电流变换为等效的两相静止a - p 坐标系的电流，即 c l a r k e 变换，其变换方程为： 三二三艄舢 = 永磁同步直线电机的欠晕控制 卧或 如果幅值不变，则c l a r k e l 变换的变换方程为： c o s c o s 1o 孚) 豳( 引 等) 蜘( 等) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 由于直线电机多采用三相星型连接，所以三相初级电流的和为零，即： 屯+ 屯+ t = 0 c l a r k e 变换可简化为： 落肺 泣8 ， 这样就得到永磁同步直线电机在两相静止坐标系下的状态方程为n 钔： 詈乞= 一号t + 詈吼s i n c p ，+ 鲁 。2 9 ， 导伊等一等妒，+ 等 式中 、u p 电机口、轴电压； 屯、f 口电机口、轴电流； 吐直线电机平移速度折算成的旋转电机角速度，哆= 协f ) v ； y 平移速度； f 磁极中心距： 杪，永磁体在初级上耦合的磁链； 图2 6a - 6 1 与a - , 8 坐标间的变换 1 4 0bk 1oooio上 锄一3锄一3 厂飞厂 0 n c s 一、l，、 幼一3幼一3 厂小一厂川一 叫洲 - 一 硕士学何论文 2 2 3 步口坐标系下的电机模型 将两相静止坐标糸口一甲的电机变量焚挟威随转于i 司步旋转阴、且利垂且阴 d - q 轴坐标中的变量，称为p a r k 变换法，其变换方程为： 芝 = l c s o i s n e 秒c s 。n s e 日1 jrlc, c 2 ，。， 电流空间矢量在两相静止和旋转参考坐标系的关系，如图2 7 所示。相应的 反变换( p a r k 1 ) 方程为： 乏 = 。c s ；o n s 口o - c s 。m s 臼o j i l i , , , c 2 - ， 蚝( ) 幽2 7 口一与d 1 坐称1 日j | 羽望秧 这样就可得到永磁同步直线电动机在a - 口坐标系下两相电机的数学模型为n 町： 盼叱卜 外心嘲 亿 式中 “g 、甜d 变换后的电机交、直轴电压； i 矿i d 电机交、直轴电流； 、一一交、直轴磁链，它们是电流和转子位置的函数，即： 髂黧i 筠0 亿 【= 吵叮( ，) 、。 当忽略磁路饱和的影响时，式( 2 1 3 ) 的磁链可以由交、直轴电流线性表示为： 盼 台删+ 钥 汶样式( 2 1 2 ) 可以写为： 铲妣+ 厶誓他 ( 2 1 5 ) l l 。= r j q + l 。i d 4 + t l 乒。+ f 式中l d 、l q 电机以口轴电感，对表面磁钢p m l s m ，厶= = t 。 永磁同步直线电机的矢量控制 对于永磁同步直线电动机其输入功率为： p = “。屯+ u b i b + 甜。 1 ( 2 1 6 ) = 詈( + ) 将式( 2 1 2 ) 带入式( 2 1 6 ) 得： p = 詈【( r 艺+ r 弓) + ( p + p ) + 吐( 少d 一i 易) 】 ( 2 1 7 ) 将气隙g 引入上面的微分中： p = 吾慨艺+ 硼地警+ 等) + ( 屯誓+ 挚窖+ 致( 吧伽( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 中的第一项妄( r 弓+ r 弓) 为电枢铜耗，最终转换为热能。 式( 2 1 8 ) 中的第二项3 白1 0 妙f d + 誓) 为电磁储能的变化率。 式( 2 1 8 ) 中的第三项3 t d o 西驴t d - + f g 警) 雪为垂直力所作用的功率。对于单边平 板式直线电动机结构不对称时，存在垂直方向的吸引力： e = 三( 警+ 擎 ( 2 1 9 ) 因此，直线电机中同时存在电磁推力和悬浮力，设计时还必须考虑支撑机构 的机械强度或使气隙保持恒定的机械结构。 式( 2 1 8 ) 中的最后一项眈( 一) 为电磁推力所作的功： 己= f e v = 詈皱( 一) ( 2 2 0 ) 所以，电磁推力： 疋= 1 5 万( 一弘t q i a ) r ( 2 2 1 ) 将式( 2 1 4 ) 带入上式可得： e = 1 5 万 1 吩+ ( 厶一厶) 屯 f ( 2 2 2 ) 最终得到d - q 坐标系下的永磁同步直线电机的数学模型为： = b + 乙誓一q 厶 = r + 厶誓+ 吧厶+ 吃盼 ( 2 2 3 ) c = 1 5 刀 吩+ ( 厶一厶) f e = e + 即+ 坳 采用i d = 0 的磁场定向控制时，模型可简化为： 1 6 硕七学位论文 “d = 一吃0 d i = 墨+ 厶吾+ c o , 5 u f ( 2 2 4 ) c = 1 5 z 缈f g q r c = e l + b , v + m p v 此时，永磁同步直线电动机与直流电动机具有相同的数学模型n 们，它的传递 函数框图如图2 8 所示，其中k = 万缈，r 。但该模型过于简化，没有考虑动态过 程中直轴电流对电动机模型的影响。 2 3 本章小结 图2 8p m l s m 简化模型 本章详细分析了永磁同步直线电动机的运行机理与特性，再提出假设的基础 上，通过坐标变换分别得出了在a b c 、口一及萨口坐标系下的数学模型。并针 对永磁同步直线电机的特性，给出了i d = 0 时的平衡方程及电机简化模型。便于后 续章节分析、设计和仿真。 1 7 永磁同步直线电机的矢晕控制 第3 章矢量控制系统及其相关问题的研究 上一章，通过坐标变换分别推导出了永磁同步直线电机的a b c 、口一及d 1 坐标系下的数学模型。在此基础上，本章分析了磁场定向的矢量控制系统并对相 关问题进行了研究。 3 1 磁场定向矢量控制及系统结构 矢量控制是交流电动机的一种理想调速方法。将其应用于永磁同步直线电动 机的基本思想，就是利用电动机外部的控制系统，即通过外部条件对初级磁动势 相对励磁磁动势的空间角度和初级电流幅值的控制，从而将永磁同步直线电动机 模拟为他励直流电动机。永磁同步直线电动机在小口坐标系下的数学模型实现了 将电压、电流、磁链等变量的解耦，矢量控制就是建立在此模型基础上的心引。 由第2 章建立的数学模型可知，萨g 坐标系下p m l s m 的电磁推力公式为： e = 1 5 万lj 妙，+ ( 厶一l q ) 毛i r ( 3 1 ) 可见，p m l s m 的电磁推力由两部分组成：三相行波磁场和次级永磁磁场相互作 用产生的电磁推力巴= 等吩和凸极效应引起的磁阻推力巴= 鲁( 厶一厶) 。对 于直线电机而言由于其气隙较大，一般可认为厶= 厶，因此只存在电磁推力而不 存在磁阻推力。推力方程变为： 11 e = 。