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永磁同步直线电机复杂机电耦合系统分析与控制方法

曾理湛  
【摘要】:永磁同步直线电机可利用电磁推力直接驱动运动机构生成直线运动,相对传统“旋转电机+滚珠丝杠”的间接驱动方式,具有高速度、高精度和大推力的优点,在高性能制造装备、精密测量仪器等领域具有广阔的应用前景。本文针对永磁同步直线电机复杂机电耦合系统分析及控制方法展开研究,建立了机电耦合系统模型,提出了永磁直线同步电机的高效电磁场计算及精确仿真方法,提出了非正弦反电动势永磁同步直线电机矢量控制新方法,开发了控制系统并进行了实验验证。 本文首先由电磁场麦克斯韦方程出发,阐述了永磁同步直线电机机电耦合系统的基本理论及分析方法,利用机电耦合系统的能量分析方法,推导了永磁同步直线电机推力方程,建立了机电耦合系统模型,为永磁同步直线电机的电磁场计算、机电耦合系统仿真以及控制系统设计与分析提供了理论基础。 针对永磁同步直线电机二维恒定磁场计算,阐述了二维恒定磁场边值问题及其有限元计算方法,并对永磁同步直线电机端部效应力、齿槽效应力分别进行了计算。介绍了保角变换及数值许-可变换,建立了考虑永磁体形状的永磁同步直线电机的离散线电流等效模型,分析了线电流磁场的边值问题在保角变换下的不变性,推导了基于保角变换的永磁同步直线电机复杂有槽气隙的磁场求解公式,并利用磁场计算结果分析了永磁体形状对永磁同步直线电机性能的影响。 分析了永磁同步直线电机理想仿真模型,针对控制系统精确动态仿真,推导了相变量模型的状态方程,考虑电机非理想结构对永磁磁链、电感、齿槽力的影响,提出了一种基于电磁场数值计算结果的永磁同步直线电机相变量仿真建模方法,利用Simulink/SimpowerSystems建立了基于电感、齿槽力、永磁磁链样条插值函数的永磁同步直线电机S-function仿真模型,并实验验证了模型的有效性。 传统矢量控制基于正弦反电动势假设,考虑非正弦反电动势的影响,推导了表示为电流矢量及永磁磁链导数矢量点积形式的推力方程,得出了任意波形反电动势表面式永磁同步电机的矢量控制原理。考虑永磁磁链谐波的影响,引入d′q′白轴坐标系,提出了一种id=0的非正弦反电动势永磁同步电机矢量控制新方法。同时,针对齿槽力等周期性扰动,采取了齿槽力前馈补偿、重复控制补偿的PI速度控制器等措施。 最后,采用DSP+FPGA+IPM硬件体系结构,设计、实现了永磁同步直线电机控制系统,并针对本文所提出的永磁同步直线电机机电耦合系统分析与控制方法进行了实验验证。


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