（电机与电器专业论文）环形过山车直线电机直接驱动控制系统研究.pdf

环形过山车直线电机直接驱动控制系统研究 s t u d y o f r m gl i l l e a rm o t o r d i i e c td r i v ec o n t r o ls y s t e m u s e di ni 沁l l e rc o a s t e r a b s 仃a c t 。 w i t hn l ci m p v 锄锄to fl 胁gs t a n d 砒d s ，t h eq u a j i t yo f 代c r c a t i o 玎【a 1d 锄蛆d s h i g h 廿t h e u 盯c o a s t 盯i st h e c 哟矗a l 赫l m t h a ta r cn 锚s a r y 如rl a r g ep l a y g m l d 1 h d m a lm u e r a 姗1 ) l ，i d ea r n 璩h i g hc o s to f t h el 姗c hi sn o tc o n 仃o l l a b l e ho r d 盯t o p 矶i et h cr d l l 盯c o a 栅t h ee 伍d e n c y 锄d1 h es 仕o n gi 埘倒 i n gq 1 1 a l i t y ，血ep p l e c 0 咖。岫l ya e i d n gab e t t c f 曲m c m 缸dt h cl 羽m c _ ht e c b l m l o g y t h i sa m d ep i d p o s e d o 虹n do fn e w 咖c t l l r e 锄dt h el a 岫c ht e c h n o l o g yr i n g - l i k e n 盯a s t 盯p e 衄锄锄t m a 印e t i s mb 1 1 l s h l 嚣st h ed i 螂ta 咖ts t r a i g h th n em o t 0 础v e nt h ed n g - l i k cr o l i 盯c 0 勰t c 吼 t h ea n i d em a i n l ys t i l d yt h er i o l l e rc o 嬲t 盯l 锄c ht e c h i l o l o g y 弛dt h er i n g - l i l 【e 蚰面g h tl i n e b m s h l 髂sl h ed i c tc u 盯咖m a c h j n el h ed 鹤i g n 粕dt h ec o n t lt e d h i l o l o 夥t h ep r i n c i p a i d e m e n t sa 糟嬲南n o 、s ： t h ea n i d ef i 舟tc o n s u l t e d 孤d 印衄疵c dt h es n 葡g h tl i n ee l 啊c a lm a c h i n e r y c h 撇c t e r i s t i c 鹪w e l l 够如n c t i i nt h e 缸嘲印l n 瓶a p p l i c a d o n o b t a i n o dl h a tt h eb m s h l e s s d i c tc i i r r c n ts 吲g h tl i n ee l e c 缸i c a lm 删n e r yi ss 1 1 i tt o 瓤舭t h er ；o u 盯c o a s t 盯 t h o n c 心o n h 麟p l a i l l i l l g 血g1 i n e 盯b m s h l 髂sd cm 咖b 勰c d t h eb 勰i cs 咖c h 珊a n d 砸n d p l e s r 缸gd 髂i 弘b 猫e do n 血g l i n 船rb m s h l e s sd cm o t o rd r i v r o u c rc 0 嬲t 盯o ft h e 曲m 咖e 舢s e c n o np o w 日s u p p i f hc x p l a i 】瞳i n gn b a s i cp r i n c i p l 嚣o fi 以n hd e m e n tm e i h o db 嬲e do nu s i n ga n s y s 姗躺t or i n gd cl i n 搿m o t o r sm o d c l i n g 锄d 皿so fm cm a g n c 虹c 丘c l dd i 耐b 嘶o n 锄d t h r l l s t f o u o w 。d b y m c 砷蜥s l 蛐c n t o f a 血g l i n w b m s h l 髑d c m o 姗l i 心l r m a m 锄a n c a l m o d d p d a l g 喇t h mi sl h em o s tw i d d y 璐c da n dm o s tm a t u i n d u s t r i 伪a l g 耐t l 皿ht h ep 刀d o l 删o n ，t h eo u t p u th 蠲t h ep o s s i b i l i t yt o 唧鸽st h 懿伽嚯喝m o r v 口d i f f 妇d a 童0 rt o d e v i a t i 姐d d 吼c h 锄g ci sv 盯ys s i n v c ，姐d s yt oc 懈i t ct h ec o n 仃d lp 曲m 强t h e i n s t a b i l i 哆，t h i sa r t i d eu $ 韶t h ea d v 粗o e dv e 措i p da l g 嘶岫一t om e 眈l i m i tw e a k 也e i n t e 伊a t i o n 雒dd i 丘醯即d a l 伐p a t i 衄 r i kc o n 删s y s t 咖“t h cr o l l 盯a s 衙w i md s p n 仍2 0 l f 2 4 0 7 ，砷r a d u c 妫d o u b l e d o s e d - 1 0 0 p ( v c b c 姆l o o pa n d 伽饿殂tl o o p ) 0 0 n 州，也es p 。e dc o n 虹d lc i r c u i td 嚣i g n l h e a l r 瑚td 烈c c 廿o nc i 硎t ，t h em o t o rd 洲c a lp o w 盯s u p p l yc i 州l 趾dh 私c 0 咖伽l o dc o m p l e t e f 细a 聆，t h e nm l i 矗e dt h ek i r d w a t o r r y 蚰t h ed c b u g g i n 易i n i 矗a u yh a s a l 姗t h e 一一 沈阳工业大学硕士学位论文 e l e c 啊c a lm h i n e r yc b 锄g ep h a o p 啪t i o n觚dt h ee l e 嘶c a lm a c h i n e r ys l l _ b s c c t i o n 咖l s t 陷l e g y k 叼啊o r d s ：r 缸gl 血e 甜b 埘墨h i e s o ，n c m o t o r p o w 盯s u p p l ys e c 曲n ，s 霸盹 d i r e c t - d d v e 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 p 一7 、j - f z 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：j 她导师签名：弛日期： ) ，计1 、，z 沈阳工业大学硕士学位论文 1 引言 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对娱乐质量的要求越来越高，过 山车作为高质量的娱乐设施已经经过了将近两个世纪的发展，为了追求过山车的经济 性，强感观性、高可靠性，一些新型发射技术和外形设计被用到过山车上。环形直线电 机推进过山车是一种新颖的结构和发射技术。 1 1 过山车的概况 过山车起源于冰滑梯。早在十五世纪，俄罗斯人用木板搭起巨大的冰滑梯，其后在 单人雪橇的底部装上轮子，摆脱冰的限制。到了十九世纪，欧洲出现了可连续滑行的过 山车，但简单的人力、畜力或缆绳已无法满足这种刺激。 十九世纪二十年代，美国发明家兼商人托马森在纽约韵康尼乐园建造了“之”字型 的轨道，单节小车在轨道上滑行。人们在此起彼伏的轨道上乐此不返。现代意义上的过 山车出现了u 】。 约翰米勒应该算是推动过山车技术突飞猛进发展的一位功不可没的人。他早年受 雇于托马森，他设计建造的过山车项目多达1 0 0 个，有些甚至至，今还在运营，其中最有 名的就是“奔驰者”“杰克兔子”“大过山车”，此外约翰米勒还发明了“飞行大转 弯”，因此才有了现在位于俄亥俄州雪松峰的“交通灾星脚。 在1 9 9 0 年代和2 0 0 0 年代中，游乐业经历了另外的一个过山车的繁荣期。新型发射 技术，悬挂式设计和整体科技发展已经为设计者提供新的元素和基础。在未来的1 5 年 内，更多的快速的、巨型的、更长的、更高的过山车会出现在游乐园内。 1 2 直线电机概述 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动的机械能的动力装置，一改以往以链 条、钢丝绳、传送带、齿条丝杠和蜗轮蜗杆等传统的中间转换环节，克服了传统机械转 、换机构的传动链长、体积大等缺陷。正是由于直线皂机的最大优点是取消了审阅转换环 节，因此称为“零传动”或“直接驱动”技术。直线电机直接驱动技术是2 0 世纪下半 叶出现的具有新理论、新原理的新技术，它已在机床和交通运输获得了应用。 环形过山车直线电机直接驱动控制系统研究 1 2 1 直线电机的发展 直线电机发展的起点并不比旋转电机晚很多，在世界上出现旋转电机后不久，就出 现了直线电机的雏形，但直线电机的发展过程是曲折的。1 8 4 0 年英国人惠斯顿( c h a r l e s w h e a t a t o n e ) 发明了世界上第一台直线电机，但这种直线电机由于气隙过大而导致效率 很低，未获成功。到2 0 世纪中叶，随着控制、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。英国的 e r l a i t h w a i t e 教授是现代直线电机发展的先驱者，他强调直线电机的基础研究，以他 为首的研究小组取得了不少重要的成果。代表人物还有日本的山田一教授，他撰写了多 本有关直线电机的著作。2 0 世纪7 0 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( 删d ) 、电磁锤、轻工机械、家电、空气压缩机和半导体制造装置 等。1 。9 0 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。 直线电机有多种类型，但发展并不均衡，早期的直线电机以感应电机为主，但在上 世纪9 0 年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钦铁硼永磁的热稳定 性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步下降以及电力电子技术的进一步发展，加上旋转永磁 电机研究开发经验的逐步成熟，永磁直线电机得到了大量的研究开发与应用，形成了直 线电机直接驱动以直线感应电机和永磁直线电机为主的局面。 永磁直线电机与直线感应电机各有优缺点。永磁直线电机的优势在于：单位尺寸出 力大，结构轻，惯性低，响应快，发热少，冷却要求低，精度高。存在的问题在于：永 磁体产生的强磁场使其安装与操作比较困难：永磁体磁场吸引铁屑，电机必须加以密封； 永磁体退磁问题。直线感应电机的优势在于：次极结构简单，安装、维护容易；不使用 价格相对昂贵的永磁体，在长行程应用场合有降低成本的可能。缺点在于采用电激磁， 效率低，发热大，次极需要冷却；气隙公差严格，工艺性差，加工成本高：精度低。尽 管各有优缺点，但目前看来，特别是随着钦铁硼等高磁能积、高矫顽力磁性材料的进一 步提高与完善及其价格的降低，永磁直线电机的优点更明显。所以永磁直线电机更适合 用于直接驱动技术。1 。正因为如此，稀土永磁直线电机的研究开发与应用进入一个新阶 段。主要体现如下特点： 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 以永磁直线直流电机与永磁同步电机为主的大量高速、高精度永磁直线电机产 品的问世，并向着大推力、更高精度、高速化方向发展； ( 2 ) 向高功能化与微型化方向发展，特别是永磁平面电机或磁悬浮平台，在体积、 r 重量、结构微型化、精度、行程方面具有相当的优越性； ( 3 ) 在磁路设计方面，向着更复杂的永磁机构设计发展，如具有特定磁函数的 h a l b a c h 永磁阵列等，并促使新原理的磁电机产生，如磁致伸缩材料的应用等； “) 促使永磁电机的计算理论与方法、控制技术等方面出现了崭新的局面； ( 5 ) 应用范围进步拓展，不仅在机械加工与自动化方面得到广泛的应用，在交通、 电子制造装备、办公自动化、建筑等领域得到大量的拓展。 我国直线电机的研究与应用是7 0 年代开始的，开展直线电机应用研究的主要有中 科院电工所、清华大学、西安交通大学、浙江大学、上海大学、太原工业大学、焦作工 业学院等。直线电机作为制造装备或加工中心进给系统研究的主要有以下几所大学：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”，研究的重点是直线感应电机。1 ；沈阳工业大学对永磁直线 同步电机进行研究，并制造了推力为1 0 0 n 的样机，研究的另一重点是直线电机在磁悬 浮列车上的应用啊；清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所研制了高频响直流直 线电机嗍，现正在进行研究的是长行程永磁直线伺服单元；浙江大学是国内最早从事 直线电机研究的高等院校，成立了专门的直线电机研究所，在直线电机理论与应用方面 均取得了相当的成果，如拥有相当的专利技术、直线感应电机产品与多项大型应用项目、 直线感应电机冲床、永磁直线电机及其在电火花加工机上的应用等“；国防科技大学和 西南工业大学研究直线电机在磁悬浮列车上的应用 1 2 2 直线电机的基本原理、主要类型与基本结构 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能、而不需要任何中间转换机构的 传动装置。它可以看成是将一台旋转电机沿径向剖开，并展成平面而成，如图1 1 所示。 由定予演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级n 2 1 。在实际应用时， 将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持 环形过山车直线电机直接驱动控制系统研究 不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行 费用，目前一般均采用短初级长次级。初级与次极是针对直线感应电机而言的，对于永 磁直线电机，最好将运动部件称为动子，静止部分称为定子“”。 叵j 互j = 至兰色互3 二圃 唑型翌坚幽 图1 1 由旋转电机演变为直线电机的过程 f i g 1 1n n 妇t h a t 协r ym o t o r 唧i v e 幻l i 嘲rm o t o r 直线电机不仅在结构上相当于从旋转电极演变而来，而且其基本原理也与旋转电机 相似，即利用绕组电流或永磁体在气隙中形成行波磁场，通过载流导体或导条与气隙磁 场的相互作用产生电磁推力，使得次极或动子沿着磁场运动，其原理如图1 2 所示。 b 永磁体 铁芯铁芯 圈1 2 直线电机基本原理示意图 f i g 1 2b a s i c 托h 锄撕cd i a 乒锄o f l i n 饴f m o 衙 直线电机在原理上分，主要包括直线感应电机( l i m ：l j l l e 盯h l d u c t i o nm o n 吣) 、直线 同步电机( l s m ：l i n e 缸s y n c h 咖o u sm o t o r s ) ，直线直流电机( l d m ：l i n e a rd cm o 熵) 。 直线感应电动机是由一个定子( 即初级) 和一个动子( 即次级) 组成。若以直线感应电 机作为牵引之用，最好把初级装在车上，让轨道本身作为次级。日本的h s s t 磁悬浮列车 一4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 采用的就是这种结构“”。直线感应电动机还有以下一些特点：( 1 ) 具有较大的启动力矩而 不需要辅助的启动设备，并可实行大范围的加速和减速：( 2 ) 具有较大的气隙( 一般比普 通的感应电动机的气隙大约大1 0 倍) ，推力随着气隙的增大而减少，功率因数和效率都 比较低，一般功率因数在o 5 o 6 左右，效率也只有5 0 6 0 9 6 ：( 3 ) 直线感应电动机具 有端部效应，这是与旋转电动机的根本差别，其端部效应包括纵向效应和横向端部效应， 特别在高速区域其端部效应特别明显，并起到减少推力的作用；( 4 ) 由于存在向车体的引 流问题，所以不宜用在高速运动系统中。 近几十年来，直线同步电动机逐渐引起了各国科学家的重视，这主要是因为异步电 机的工作方式的效率低及同步方式运行的优点所决定的。直线同步电动机可分为铁芯式 和空芯式两类。铁芯式直线同步电机可以有多种结构型式。直流磁场的激磁方式可以是 常导式的，也可以由超导体激磁绕组来激磁“”。虽然原理上直线同步电机作为电枢移动 式或是磁场移动式都可以，但似乎后一种型式更实用。最普通的直线同步电机是凸极直 线同步电机。其激磁绕组由车上电源供给，地面上铺设由地面电源供电的三相绕组。这 种结构与直线感应电动机相比最大的优点是使用直流电励磁，因而提高了功率因数，缺 点是长定子导致了轨道成本的增加。为了减少供电费用，三相绕组通常采用分段供电的 方式。德国的e m s l a n d 所建造的使悬浮列车采用的就是这种型式的直线同步电机“”。 永磁直线无刷直流电机的基本工作原理如图1 3 所示。 图1 3 永磁直线直流电机基本原理示意图 f i g 1 3s c k 蛳疵d i a 蹦衄o f p 黜锄t m a 删d c l i n e 缸m o t o r 由永磁体产生大致均匀的磁场，当初级线圈中通入直流电流时，载有电流的导体与 环形过山车直线电机直接驱动控制系统研究 电磁场相互作用产生电磁力，电磁力的方向由左手定则确定，改变电流的方向就可以改 变受力的方向，如果初级固定，则次级将在电磁力的作用下产生直线运动“”。 1 - 2 ，3 直线电机在有轨交通中的应用 为了缓解并改善交通状况，就铁路而言，列车高速化是一种现实可行的方式。磁悬 浮列车改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方式，采用磁力悬浮车体、直线电机驱 动技术，使列车在轨道上浮起滑行，在交通技术发展史上是一个重大的突破，被誉为2 l 世纪一种理想的交通工具。磁浮车与现有常规车相比，主要优点是：速度快( 5 0 0 k m h ) 、 安全、无翻车、无噪声振动、占地小、爬坡强、结构简单、节能。国内外许多国家如德、 日、美、法、英、俄、加拿大、韩国、瑞士、瑞典及中国都已投入了这方面的研制，其 中尤以德、日最为突出，投入最大，持续时间最大。德国于1 9 8 7 年建成了长3 1 5 公里的 埃姆斯兰特( e m s l a n d ) 闭合单线试验线，推进电机为有铁芯长定子永磁直线同步电机， 时速为4 5 0k m h “”。日本于1 9 9 0 年在东京一大阪线路中的一段上建了山梨试验线，全长 1 8 4 公里时速达5 5 0k m h ，推进电机为无铁芯长定子直线同步电机“。另外，日本航空 公司还研制了一种磁悬浮交通技术称作h s s t 系统。h s s t 也是使用电磁悬浮原理，采用车 载短初级异步电机驱动“”。 国内一些大学、研究机构也开展了基础性研究，如中国科学院研究所在2 0 世纪7 0 年 代中期开始了直线感应电机驱动的研究，对直线感应电机端部效应、直线电机的设计及 计算方法进行理论研究和试验。西南交通大学2 0 世纪9 0 年代也设计了一辆磁悬浮列车模 型。沈阳工业大学在2 0 0 3 给沈阳科技宫设计了一辆载人磁悬浮列车模型，采用感应电机 驱动，目前运行良好。2 0 0 2 年底，全中德两国合作开发的上海磁悬浮列车正式运行。 直线电机还被应用于电磁推进船的驱动，它将象喷气式飞机优于螺旋桨飞机一样优 于一般螺旋桨推进的船舶，美国将其应用于军事舰艇，日本则于1 9 9 2 年6 月完成世界 上第一艘载人超导直线电磁推进船“大和一号”，并在日本神户港正式试航成功。此外， 在交通应用方面，直线电机还被应用于驱动地铁车、驱动高速公路车等“”。 1 3 直线电机控制器的发展 电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件的一些参数 一6 沈阳工业大学硕士学位论文 受外界因素影响较大，并且它的精度也差。所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较 差，控制效果不理想，因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展。数字控制器与模 拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对 环境因素不敏感等优点。 随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加，用户 也不断提高对电机控制技术的要求。总是希望能在驱动系统中集成更多的功能，达到更 高的性能。许多设备试图使用8 位或是准1 6 位的微处理器实现电机的闭环控制，然而 它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现。例如，在很多领域( 如工业、 家电和汽车) ，用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器的电机。这种电机的控制可 以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算法来实现。但是这超出上述微处理 器的计算能力。 使用高性能的数字信号处理器( d s p ) 来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需 求是目前最为普遍的做法嘲。将一系列外围设备如模数转换器( a d ) 、脉宽调制发生器 ( p 删) 和数字信号处理器( d s p ) 集成在一起，就获得一个既功能强大又非常经济的电机控 制专用的d s p 芯片。近年来，各种集成化的单片d s p 的性能得到很大的改善，软件和开 发上具越来越多，越来越好，价格却大幅度降低。低端产品的价格巳接近单片机的价格 水平，但却比单片机具有更高的性能价格比。越来越多的单片机用户开始选用d s p 器件 来提高产品性能，d s p 器件取代高档单片机的时机己成熟。 首先，与单片机相比，d s p 器件具有较高的集成度。d s p 具有更快的c p u ，更大容量 的存储器，内置有波特率发生器和f i f 0 缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口。 有的片内集成了a d 和采样保持电路，可提供p 删输出。更为不同的是，d s p 器件 为精简指令器件，大多数指令都能在一个周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个 指令周期内可完成多条指令。同时d s p 采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空 间，允许同时存取程序和数据。又配有内置高速硬件乘法器、多级流水线，使d s p 器件 具有高速的数据计算能力。而单片机为复杂指令系统计算机( c i s c ) ，多数指令要2 3 个指令周期来完成。单片机采用冯诺依曼结构，程序和数据在同一空间存取，同一时 刻只能单独访问指令和数据、札u 只能做加法，乘法需要用软件来实现，因此占用较多 一1 一 环形过山车直线电机直接驱动控制系统研究 的指令周期，也就是说速度比较慢。所以，结构上的差异使d s p 器件比准1 6 位单片机 单指令执行时间快8 1 0 倍，完成一次乘法运算快1 6 3 0 倍。d s p 器件还提供了高度专 业化的指令集，提供了f 盯快速傅立叶变换和滤波器的运算。此外，d s p 器件提供了 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便。 其次，基于d s p 芯片制造的电机控制器可以降低对传感器等外围器件的要求。通 过复杂的算法达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于专利技术的保密。现 在各大d s p 生产厂家都推出自己的内嵌式d s p 电机控制专用集成电路。如占d s p 市场份 额4 5 的美国德州仪器公司，凭借自己的实力，推出了电机控制器专用d s p t m s 3 2 0 c 2 4 x 。 新的t m s 3 2 0 c 2 4 xd s p 采用t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 xl p l 6 位定点d s p 核，并集成了一个电 机事件管理器，后者的特点是可以最佳方式实现对电机的控制。该器件利用t i 的可重 用d s p 核心技术，显示出t i 的特殊能力一通过在单一芯片上集成一个d s p 和混合信号 外设件，制造出面向各种应用的d s p 方案。t m s 3 2 0 c 2 4 x 作为第一个数字电机控制器的专 用d s p 系列，可支持用于电机控制的指令产生、控制算法处理、数据交流和系统监控等 功能。集成的d s p 核、最佳化电机控制器事件管理器和单片式a d 设计等诸多功能块加 在一起，就可以提供一个单芯片式数字电机控制方案。系列中的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 包括一 个4 伽i p sd s p 核、两个事件管理器、3 2 位的中央算术逻辑单元、多达1 6 通道的1 0 位 a d 转换器、6 4 k 的i o 空间和一个3 2 k 字的闪速存储器，它利用t m s 3 2 0 的定点d s p 软 件开发工具和j t a g 仿真支持，可使电机控制领域的研发人员方便地调试控制器和脱机 使用。另外，美国模拟设备( a d ) 公司也不甘落后，与著名的i n t e l 公司合作，生产出 a d l c3 x x 系列电机控制专用d s p ，性能与t i 公司的产品相差不大，也是基于a d 公司的 1 6 位定点d s p 设计的，并且也集成了三相p 删发生器和a d 转换器渊。 第三，d s p 运算速度快，控制策略中可以使用先进的实时算法，如自适应控制、卡 尔曼滤波、状态预估等，大大提高控制系统的品质。而且d s p 控制软件可用c 语言或汇 编语言编写或者二者嵌套使用。因此采用d s p 芯片制造的电机控制器便于用户的调试和 应用。 最后，在越来越多的场合，如电动汽车、纺织行业、水泵变频调速系统等，他们往 往是规模比较大，时序、组合逻辑都很复杂的情况，这时如果同时运用d s p 芯片和一些 沈阳工业大学硕士学位论文 其它的可编程逻辑器件，可以大大减小系统的体积、提高系统运算能力，实现复杂的实 时控制。 1 4 课题研究的目的和意义 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对娱乐质量的要求越来越高，不 仅追求感观上的感受，还寻求精神上的刺激，以缓解身心。游乐车作为新时代的娱乐设 施不仅具有强烈的娱乐特点，还有巨大的经济效益。 过山车是一种有轨运动系统。从国外和国内的情况看，目前用于有轨系统的驱动方 式主要有两种，一种是传统的旋转电机驱动，另一种是直线电机驱动。这两种驱动方式 有各自的优势，旋转电机比直线电机在同样的情况下能耗要低1 0 3 0 ，且直线电 机驱动方式还需要一条长长的反应轨，使得投资相对增加，但本设计属于小规模环行轨 道，成本问题自然得到解决，从系统的使用情况来看，直线电机更有其独到之处。它有以 下特点： ( 1 ) 直线电机驱动属非粘着驱动，车轮只起承载作用，不起粘着驱动作用，因此爬 坡及转弯能力强。 ( 2 ) 由于直线电机采用轨道通电，车体为永磁体，提高系统安全性能。 ( 3 ) 采用无刷直流技术换相，减小车体和轨道的摩擦损耗和噪音。 ( 4 ) 永磁无刷直流直线电机结构简单，故障少，寿命长，可减少维护费用。 从电机理论的角度上出发，目前用于交通领域驱动系统的直线电机有直流直线电 机、直线同步电机、直线感应电机。本文提出用永磁无刷直流直线电机驱动过山车。由 于普通直流电机的换相作用需要电刷来完成，但有刷直流电机不管是电励磁还是永磁励 磁，其工作行程都不宣太长，且有接触火花干扰电子设备。鉴于此，我们把永磁直线直 流电机做成永磁无刷直流直线电动机，在电机本体上我们采用了传统永磁无刷直流电机 ( 定子由电枢绕组构成，转子由永久磁钢构成) 结构方式，采用分段供电。这种结构可以 使驱动简单，位置信号检测方便。与其它直线电机相比，无刷直流直线电机系统具有结 构简单、控制简单等特点。采用永磁无刷直流直线电机作为过山车的能量提供系统， 目前还没有报道。 环形过山车直线电机直接驱动控制系统研究 1 5 本文所做的工作 提出一种基于永磁无刷直流直线电机驱动的过山车系统的模型设计方案，并对永磁 无刷直流直线电机设计和控制系统作了研究，主要内容包括： ( 1 ) 高推力永磁无刷直流直线电机的设计，用a n s y s 软件对电机进行二维静态磁场 分析，计算推力。 ( 2 ) 永磁无刷直流直线电机定子分段供电技术； ( 3 ) 永磁无刷直流直线电机换向技术； ( 4 ) 换向位置信号采样与识别，设置2 4 个霍尔式位置传感器，实现电机自身换向供 电和环状定子分段供电。 ( 5 ) 控制系统设计，采用t m s 3 2 0 c 2 4 0 7d s p 作为过山车控制系统的主控芯片。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 环形过山车总体方案设计 环形过山车具有所占空间小，造价低的特点，但要获得具有传统过山车的特点，甚 至优于传统过山车，就必须采用特殊的驱动机构。直线电机能够在很短的时间内获得很 高的速度，直线电机已在磁悬浮列车、地铁车的驱动上获得了成功的应用。本方案采用 永磁无刷直流直线电机驱动环形过山车的载人车体。 2 1 环形过山车系统方案 2 1 1 技术参数 本环形过山车技术参数为： ( 1 ) 旋转形式3 6 0 。，可以达到反复运动、停顿及加减速的效果； ( 2 ) 座椅数1 2 个，车体总长度1 2 5 m ； ( 3 ) 旋转速度1 4 圈分； ( 4 ) 乘员2 4 人，车体总重量：8 5 0 k g ； ( 5 ) 功率8 0 娜： ( 6 ) 占地面积1 8 0 m 。 过山车外形如图2 1 所示。 图2 1 过山车外形效果图 f i 蛋2 1e f 强w t d 魂g 咖o f r o l l e r c o 蝴 环形过山车直线电机直接驱动控制系统研究 2 1 2 环形过山车原理 本过山车实质就是一台永磁无刷直流直线电机，过山车的环形滑轨就是电机的定 子，定子上嵌有线圈。过山车的车厢就是直线电机的动子，车厢底部贴有磁钢，共有四 个车厢通过软连接固定在一起，其结构示意图如图2 2 所示。 图2 2 环形过山车结构图 1 一单体小车车体 2 一单体小车下永磁动子m o 、m l 、h 1 2 、m 3 一环形电机四段定子 传统的过山车的小车是靠一个机械装置的推力推上最高点的，但在第一次下行后， 就再也没有任何装置为它提供动力了。事实上，从这时起，带动它沿着轨道行驶的惟一 的“发动机”将是引力势能，即由引力势能转化为动能、又由动能转化为引力势能这样 一种不断转化的过程构成的。环形滑轨永磁无刷直流直线电机过山车的动力是由直线电 机供给的，当电机定子通以电流时，载有电流的导体与磁场相互作用产生电磁力，电磁 力的方向由左手定则确定，改变电流的方向就可以改变受力的方向。通过控制系统可以 让电机停留在任何位置，改变了传统过山车“一发不可收”的不可控缺点。电机控制系 统原理如图2 3 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 ，4 凸 口 a 1 2 圈2 3 电机控制系统原理图 f i g 2 3s c h 锄a 如d i 卿o f m 0 6 叫o 打o l 驴t 咖 a l a 2 、a 3 、a l l 、a ma l ，、a 1 4 一无刷直流电机用霍耳传感器组 2 2 永磁无刷直线直流电机工作原理 设想把旋转永磁无刷直流电机沿径向拉开并伸直，把电机转子的旋转运动转变成直 线运动，旋转电机就可变为单边形永磁无刷直流直线电动机。在结构上无刷直流直线电 机也可看作是由电机本体、位置传感器、驱动电路三部分组成。但和旋转永磁无刷直流 电机不同的是，形成主极磁场的永磁磁钢可以放在定子上也可以放在动子上。 本系统选用两相导通三相六拍运行方式，一个采周期内每相导通1 2 0 。电角度。用 这种方式能最好利用气隙磁场的平顶部分，使电机力矩最大，平稳性最好。 当动子处于图2 4 a 所示的位置时，此时给a ，c 两相线圈通相反方向的电流( 电流 方向如图2 4 a 所示) ，产生方向相反的磁场，动子磁极n 对a 铁心线圈作用产生向右磁 推力，定子磁极s 对a 铁心线圈作用产生向右磁拉力，同时动子磁极s 极对c 铁心线圈 作用产生向右磁推力，动子磁极n 极对b 铁心线圈作用产生向右磁拉力，b 线圈由于两 极同电势，没有磁力作用，车子沿图示方向行驶( 如反方向行驶，则改变a ，b 两相线圈 通电方向) ，随着动子运动到图2 4 b 所示的位置时，绕组开始换流，由a ，c 两相线圈 环形过山车直线电机直接驱动控制系统研究 导通变为b ，c 两相线圈导通。依此类推，由位置传感器提供磁场位置信号，每隔t ，功 率开关切换一次，使动子沿图示方向连续运动。 + 一一i 1 五丁口e r 五丁口 r 五丁田 b ) c ) 圈2 4 直线电机运行原理 f i g 2 4 p r i n c i p k o f l i n c 盯m a t o f o p e l 埘衄 a ) p o w 盯s 啪l y m o d e o f a ，cb ) p o w 嚣s 唧叫y m o d e o f c mc ) m 蛐p p l y m o d e o f b ，c 2 3 定子分段控制策略 按照经济、简单、可靠的设计原则，我们采用定子分段控制策略。电机分段方案见 图2 5 。由于圆环轨道周长约为6 2 8 米，要求车体长1 2 米，假如将电机定子分成六段， 每段约1 0 米，则最多时会有三段同时使用，不能最大限度的提高效率，假如将电机定 子分成五段，每段约1 2 米，不便于电机的控制，假如将电机定子分成三段，每段约2 1 米，车体运行过程中轨道也大部分在通电，也违反经济的原则，所以可以将电机定子分 成四段分别为m l 、m 2 、m 3 、m 4 ，每段约1 6 米，最多时有两段通电，一方便可以实现经 济、易控制的目的，另一方面m 1 、m 3 与m 2 、m 4 两段的交替使用也可节省两个变频器。 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 5 电机分段方案 f i 辱2 51 k 姆c m p i d 鲥m o f m o t o r 为了更好地实现对车的完全控制，设置8 个传感器组，除了每段具有的位置传感器 组外，在每2 段之间还要各安置1 个位置传感器组，如图2 6 所示。 当车体运动在a 2 3 - a 3 4 间时，由a 3 提供转子位置信号，经由逻辑控制处理后驱动 变频，电机m 3 段单独运行工作。 当车体运动在a 3 一a 4 间时，由a 3 4 提供转子位置信号，经由逻辑控制处理后驱动变 频，电机m 3 段，m 4 段共同运行工作。 当车体运动在a 3 4 一a 1 4 间时，由a 4 提供转子位置信号，经由逻辑控制处理后驱动 变频，电机m 4 段单独运行工作。 当车体运动在a 4 - a 1 间时，由a 1 4 提供转子位置信号，经由逻辑控制处理后驱动交 频，电机m l 段，m 4 段共同运行工作。 依此类推。 环形过山车直线电机直接驱动控制系统研究 a 3 4 口 口 a 1 2 图2 6 传痘器的布置 f i g 2 6l 丑y o u to f o 口 2 4 位置信号采样与识别 无刷直流电动机的特点决定着它必须有位置检测。位置信号检测是组成无刷直流电 动机系统的三大部分之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志。实现位置信号检测 的方案大体上可分为两大类：直接位置检测和间接位置检测，直接位置检测是利用位置 传感器直接获得定子和动子( 转子) 磁场相对位置信息的方法，而间接位置检测是利用电 动机的某些电气参数如电机转子位置函数关系来解算转子位置信息的方法。两种方案相 比之下各有利弊，间接位置检测具有机械结构简单、抗干扰能力强、可靠性高等优点， 但间接位置检测的技术精度比直接位置检测的略低。由于过山车属于载人设备，本着安 全可靠的原则，本课题所研制的无刷直流直线电机选用的是直接位置检测方法，采用开 关型霍耳位置传感器。 位置传感器的作用有两个：一是检测电机定、转子的相对位置并提供电机相绕组的 换相信号；一是与控制器一起构成转速的反馈环节。图2 7 是三个霍耳传感器的布置， 霍耳之间距离为t 2 ( 极距2 ) ，此三个传感器组成一组。 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 7 电机换向霍耳传感器布置 f i 参2 7 b 扣哦o f h a l l 咖s o f u s e d l o m o t 盯煅删咖 霍耳传感器测得的动子位置信号送给控制器，控制电机绕组供电换向，同时，此 三个信号送给m c 3 3 0 3 9 ，经3 3 0 3 9 处理后作为速度反馈。m c 3 3 0 3 9 是高性能的无刷直 流电机速度闭环控制芯片，其管脚和输出信号如图2 8 所示。 c 电 锨 皈 街d 矧 o 图2 8m c 3 3 9 管脚和输出信号 f i g 2 8p i n sa n d 删肇u ts i i 叫so f m c 3 3 0 3 9 a ) p h 坞o f m c 3 3 0 3 9”o 唧u ts i 酬so f m c 3 3 0 3 9 环形过山车直线电机直接驱动控制系统研究 图2 6 中的8 个位置传感器组a 1 、a 2 、a 3 、a 4 、a 1 2 、a 2 3 、a 3 4 、a 4 1 是检测电机 动子( 车厢) 位置的。当车体运动在a 卜a 2 间时，由a 1 2 提供转子位置信号，经由逻辑 控制处理后送给控制器控制电机换向；当车体运动在a 2 时，由a 2 提供电机换向信号； 当车体运动在a 2 3 时，由a 2 3 提供电机换向信号：当车体运动在a 3 时，由a 3 提供电机 换向信号；依此类推。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 环状永磁无刷直流直线电机电磁计算及数学模型的建立 计算永磁磁极产生的磁场是决定电机推力、速度、电势、电感及各种性能必不可少 的分析，也是电机设计中的一个重要问题，本章将永磁电机磁场问题简化为二维磁场的 问题，推导出永磁电机气隙磁场的解析计算方法，并借助a n s y s 有限元计算软件计算了 静态电机磁场分布及静态电磁推力。 3 1 电磁场有限元法的基本原理 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析 方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。在计算机 技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析( f e a ，f i n ：e l e m ta n a l y s i s ) 方 法则为解决复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径伽。 有限单元法是从变分原理或加权余量法出发，结合单元剖分和分片插值，用以求解 数理方程的一种离散化数值解法。由于它具有单元剖分灵活，算法统一，通用的优点， 并适用于电子计算机的计算，因而近年来在工程上得至广泛的应用。 以变分原理为基础的有限单元法在求解磁场问题时，其过程大致如下： ( 1 ) 建立问题的变分表述，从待解的磁场边值问题出发，利用变分原理把问题转化 为等价的变分问题，即能量泛函的极值问题。 ( 2 ) 单元剖分将求解区域剖分成一系列子区域，即单元。 ( 3 ) 选择分片插值函数选取分片光滑的插值函数去逼近整个求解域内光滑的磁位 函数。 ( 4 ) 对变分问题离散化把磁位的插值函数代入能量泛函，对变分问题进行离散化， 得到以珂个节点磁位为未知数的一阶联立代数方程组。 ( 5 ) 求解代数方程组用强加边界条件修改方程组，然后求解修改后的方程组， 得到各个节点的磁位近似解，并由此计算出各个单元和节点的磁感强度值。 ( 6 ) 结果分析。 环形过山车直线电机直接驱动控制系统研究 3 2 有限元软件州s y s 在电机设计中的应用 目前流行的有限元分析软件主要有a n s y s 、n a s t r a n 、a d i n a 、a b a q u s 、 i a r c 、m a g s o f t 、 c o s m o s 和a n s o f t 等。 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析 软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ，a 1 0 9 0 r ，i d 队s ， a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。a n s y s e 眦g 是它的一个用于处理 电磁场分析的模块，有广泛的分析能力，包括2 d 、3 d 及轴对称静磁场分析，2 d 、3 d 及 轴对称时变磁场交流磁场分析，静电场、a c 电场分析，电路分析，包括电阻、电容、电 感等，电路、磁场藕合分析，电磁兼容分析，高频电磁场分析以及计算洛伦兹力和焦耳 热力等。a n s y s e i i l a g 是用于电磁场分析的有力工具。在使用上，使用者只需输入所要 计算的问题，便可获得结果，并可对结果进行进一步的开发使用，而不需要了解求解的 详细过程，更不需要掌握有关技巧和编制任何程序，极大地方便了使用