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《华中科技大学》 2008年
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永磁同步直线电机磁阻力分析及控制策略研究

张颖  
【摘要】: 永磁同步直线电机将电能直接转换为直线运动,取消了传统的从旋转电机到工作台之间的一切中间传动环节,进给系统可以直接驱动负载,具有高速、高精的特性,因此直线电机正在成为高档数控机床的主要功能部件,在高速高精数控系统、IC制芯和封装设备、光刻机等众多应用场合具有广阔的应用前景。然而,直线电机存在由端部效应和齿槽效应引起的磁阻力扰动、负载扰动、系统参数摄动等因素形成的推力波动,直接影响高精度数控加工系统的定位精度和低速时的速度平稳性,成为影响直线电机广泛应用于工业实践的重要原因。本文以削弱推力波动对永磁同步直线电机性能的影响为核心问题,对推力波动产生的因素和计算方法进行了分析,提出了磁阻力的结构优化方式和推力波动的控制策略补偿方案,并进行了相关的实验研究。 首先从直线电机设计角度进行研究,针对推力波动的主要因素磁阻力,运用等效磁化电流法和Schwarz-Christoffel变换建立了直线电机电磁场分析的模型,利用麦克斯韦张量法对直线电机的磁阻力进行分析,证明磁阻力可以依据其产生原因分解成由端部效应产生的端部力和由齿槽效应所产生的齿槽力,并根据这一分析结果分别建立相应的有限元分析模型,对端部力和齿槽力分别进行数值计算,提出了降低端部力和齿槽力的结构优化设计方法。 其次,综合运用电机控制理论和计算机仿真技术,分别对永磁同步直线电机的矢量控制原理、运动力学模型以及电压空间矢量脉宽调制技术进行分析,搭建了永磁同步直线电机伺服控制系统的数学模型。针对推力波动对于直线电机的速度控制精度和平稳性影响较大的问题,设计了速度环滑模控制器。针对滑模控制器所引入的抖振现象,设计了扰动观测器,对系统扰动进行补偿。同时,采用模糊控制策略设计了模糊滑模控制器,对滑模控制器中的切换控制幅值进行实时地调整,实现了在不影响系统鲁棒性和快速跟踪性能的前提下,减小系统抖振的控制目的。 在上述理论分析的基础上,详细地介绍了以DSP芯片为核心的永磁同步直线电机伺服控制系统的软硬件设计和实现,并对所提出的结构优化措施和控制优化策略进行了实验验证。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TM359.4

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 黄文美;薛雅洁;宋桂英;;直线永磁无刷直流电动机端部力的分析[J];微特电机;2011年12期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 程远雄;永磁同步直线电机推力波动的优化设计研究[D];华中科技大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 李帅;横向磁场永磁直线电机位置伺服系统研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 武锐;直线电机伺服控制技术研究[D];河南师范大学;2012年
3 王守雨;直线电机推力分析与隔磁防护技术研究[D];电子科技大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 叶云岳,陆凯元;直线电机的PID控制与模糊控制[J];电工技术学报;2001年03期
3 陈志梅,张井岗,曾建潮;交流伺服系统的积分模糊滑模控制[J];电机与控制学报;1999年01期
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5 田亚菲,何继爱,黄智武;电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法仿真实现及分析[J];电力系统及其自动化学报;2004年04期
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10 刘书明 ,罗军辉;双口RAM在DSP处理系统中的应用[J];国外电子元器件;2002年11期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 潘开林;永磁直线电机的驱动特性理论及推力波动优化设计研究[D];浙江大学;2003年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 童昕宏;磁浮交通同步电机计算及模拟仿真软件设计[D];浙江大学;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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4 刘沛津;谷立臣;任继红;;旋转电机磁场计算的有限元法研究[J];安徽大学学报(自然科学版);2008年05期
5 王宝兰;巴拉洛夫;潘剑怀;;含各向异性介质的三维不均匀涡流场有限元法计算[J];安徽工学院学报;1988年04期
6 陆华才;王军;田丽;;永磁直线同步电机自适应内模控制研究[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2010年01期
7 钟小芳,蒋中;一种增量型多步预测、多步控制的单变量预测控制算法[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2000年04期
8 朱达荣;朱卫国;;低速高扭矩永磁直流电机的设计及参数解析计算[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2006年04期
9 刘静;;基于预测控制理论的水产品价格模型[J];安徽农业科学;2011年36期
10 曹文霞;汪永华;钱多德;;基于RBF神经网络整定PID的PMLSM控制研究[J];安徽农业大学学报;2012年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王传礼;丁凡;许贤良;彭天好;;伺服阀用超磁致伸缩转换器驱动磁场的有限元分析[A];2004“安徽制造业发展”博士科技论坛论文集[C];2004年
2 孙鹤旭;梁涛;雷兆明;;基于状态空间模型的多时域预测控制系统的闭环特性[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 李德伟;席裕庚;;有界扰动系统基于集结的鲁棒预测控制器设计[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 金尚泰;侯忠生;王卫红;;无模型自适应控制方法在永磁直线电机控制中的应用[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
5 ;Application of Fuzzy Controller in the Speed Control of Permanent Magnet Linear Motors[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
6 梁捷;陈力;;漂浮基空间机械臂姿态、关节协调运动的模糊变结构滑模控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
7 杨建华;刘文琦;卢伟;;注汽锅炉蒸汽干度的模糊预测控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
8 李刚;王庆林;黄彪;;随机扰动下的动态矩阵控制系统性能监控、调节与诊断[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
9 张颖;巢志骏;席裕庚;;预测调度算法在单机问题中的应用[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
10 王立强;雷美珍;卢琴芬;叶云岳;;大气隙直线感应电机矢量控制系统建模与仿真[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 周芳;蒸汽发生器检修机械手路径规划及控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 冷欣;船用增压锅炉汽包水位预测控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 刘少刚;基于单一平面电容传感器的木材含水率检测系统研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
4 汪木兰;神经网络硬化实现的共性技术在电力传动中应用研究[D];合肥工业大学;2010年
5 刘翔宇;基于直接横摆力矩控制的车辆稳定性研究[D];合肥工业大学;2010年
6 白会娟;导电材料结构电磁热弹性多场行为的理论研究[D];兰州大学;2010年
7 雷金;洛仑兹平面电机的结构动态特性研究[D];华中科技大学;2010年
8 易煦农;人工电磁材料的光学特性及应用研究[D];华中科技大学;2010年
9 权建洲;高速工况下H型桁架定位平台的建模与同步控制[D];华中科技大学;2010年
10 杨通;高速大推力直线感应电机的电磁理论与设计研究[D];华中科技大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 凌刚;基于DSP+FPGA的永磁同步电动机伺服驱动器研究[D];安徽工程大学;2010年
2 汪步云;水下作业机械手抓取力伺服控制的研究[D];安徽工程大学;2010年
3 张志华;弧形直线电机伸缩门及其控制研究[D];河南理工大学;2010年
4 王旭强;圆筒型永磁直线同步电机电磁性能及温度场研究[D];河南理工大学;2010年
5 况清龙;基于逆变器的直流无源滤波器的优化设计及其可视化算法[D];南昌航空大学;2010年
6 朱志斌;基于金属材料的扰动磁场检测技术研究[D];南昌航空大学;2010年
7 李鹏;磁悬浮风力发电机转子系统的研究[D];山东科技大学;2010年
8 许继影;一类非线性时滞系统的稳定性及鲁H_∞控制[D];广西师范学院;2010年
9 何凤平;迟滞系统的滑模变结构控制算法研究[D];浙江理工大学;2010年
10 武海博;预测函数控制系统的鲁棒性研究[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨志;孙志永;;直线电机在车磨复合机床中的应用[J];北京信息科技大学学报(自然科学版);2011年03期
2 李庆民;张俊洪;赵镜红;;永磁直线同步电机位置伺服系统的模糊PID控制[J];船电技术;2008年04期
3 李鸿,周云飞;预测前馈补偿在0.1um光刻机硅片台长行程电机控制中的应用[J];长沙电力学院学报(自然科学版);2003年03期
4 陈宇明,金能强;直线同步电机的磁场与力特性分析[J];电工电能新技术;2002年01期
5 叶云岳,陆凯元;直线电机的PID控制与模糊控制[J];电工技术学报;2001年03期
6 陈宇,卢琴芬,叶云岳;长定子同步直线电动机的设计及其优化[J];电工技术学报;2003年02期
7 施俊,方攸同,叶云岳,贾宏新;基于单神经元PI调节的直线感应电动机矢量控制系统仿真与试验[J];电工技术学报;2003年04期
8 余佩琼;陆亿红;;永磁直线同步电机的有限元分析[J];电工技术;2003年12期
9 叶云岳;;直线电机在现代机床业中的应用与发展[J];电机技术;2010年03期
10 陈志梅,张井岗,曾建潮;交流伺服系统的积分模糊滑模控制[J];电机与控制学报;1999年01期
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 潘开林;永磁直线电机的驱动特性理论及推力波动优化设计研究[D];浙江大学;2003年
2 夏加宽;高精度永磁直线电机端部效应推力波动及补偿策略研究[D];沈阳工业大学;2006年
3 王建宽;横向磁场永磁电机及其驱动系统研究[D];上海大学;2008年
4 陆华才;无位置传感器永磁直线同步电机进给系统初始位置估计及控制研究[D];浙江大学;2008年
5 余佩琼;新型进给系统—永磁直线同步电机的磁极位置及速度估计算法研究[D];浙江大学;2008年
6 张代林;永磁同步直线电机伺服系统的控制策略和实验研究[D];华中科技大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 李皞东;电火花机床用永磁直线电机的端部效应及其控制的研究[D];沈阳工业大学;2002年
2 林春;永磁同步直线电机伺服控制系统研究[D];浙江大学;2005年
3 龚云飞;交流永磁同步电机伺服系统的仿真及实现[D];哈尔滨工业大学;2006年
4 王骞;横向磁场永磁直线电机及其驱动的研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
5 俞希递;直线永磁同步电机鲁棒速度控制系统[D];上海交通大学;2007年
6 查长礼;永磁同步直线电机伺服控制关键技术研究与实现[D];广东工业大学;2008年
7 徐振刚;基于DSP的永磁同步电机直接转矩控制系统的研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
8 聂永峰;永磁直线同步电机设计研究[D];上海交通大学;2009年
9 赵玫;横向磁场永磁直线电机电磁场计算及驱动器的研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 黄文美;杨帅;宋桂英;;永磁直线电动机削弱齿槽力的槽极数配合分析[J];微特电机;2012年04期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 郭芳,武惠芳,张奕黄;用于磁悬浮列车的长定子同步直线电动机的电磁设计[J];北方交通大学学报;2003年04期
2 温照方,陈培正,王先逵;高推力永磁直线同步电动机控制中的电流补偿[J];北京理工大学学报;2004年03期
3 黄浩江,樊晓平,杨胜跃;非线性动力学系统开闭环D型迭代学习控制器设计及其应用[J];长沙铁道学院学报;2003年01期
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7 陈宇,卢琴芬,叶云岳;长定子同步直线电动机的设计及其优化[J];电工技术学报;2003年02期
8 王成元,刘莉莉,夏加宽;基于学习前馈控制的高精度直线伺服系统跟踪控制研究[J];电工技术学报;2004年10期
9 郭庆鼎,王成元,王丽梅,于冬梅;交流伺服系统的滑模变结构加速度控制法研究[J];电工技术学报;1996年02期
10 孙宜标,郭庆鼎,石丽梅;基于推力观测器的直线式交流伺服系统滑模变结构控制[J];电工技术学报;1998年02期
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1 余凤豪;吕飞;张松涛;吉哲;;永磁同步直线电机的数学模型分析[J];舰船电子工程;2010年09期
2 王振滨;余鹿延;周守国;;直线电机开发及应用研究[J];上海电气技术;2009年01期
3 夏加宽;董婷;王贵子;;抑制永磁直线电机推力波动的电流补偿控制策略[J];沈阳工业大学学报;2006年04期
4 李庆雷,王先逵,吴丹,刘成颖,石忠东;永磁同步直线电机推力波动分析及改善措施[J];清华大学学报(自然科学版);2000年05期
5 夏加宽;王健;王成元;;磁导调制式永磁直线伺服电机的设计[J];电气技术;2007年10期
6 赵希梅;郭庆鼎;;基于扰动观测器和重复控制器的永磁直线同步电动机鲁棒控制[J];中国电机工程学报;2010年15期
7 艾武;张与厚;张颖;陈幼平;金振荣;;基于FAHP的永磁直线同步电动机推力波动分析与实验研究[J];微电机;2007年05期
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9 张霖;党选举;曾思霖;;永磁同步直线伺服系统的一种双模控制[J];电气传动;2010年02期
10 陈幼平;张颖;艾武;张与厚;周祖德;;永磁同步直线电动机磁场和推力波动分析及实验研究[J];微电机;2007年08期
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1 王成元;王健;夏加宽;;磁导调制式永磁直线伺服电机的设计[A];第八届全国永磁电机学术交流会论文集[C];2007年
2 王振滨;;永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台[A];2010振动与噪声测试峰会论文集[C];2010年
3 邹积涛;白山;刘一恒;;潜油式永磁同步直线抽油机无位置传感器控制系统研究[A];2008中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文摘要集[C];2008年
4 金伦贤;崔在学;李柱;李喆稷;;采用多种设计方案降低移动磁体型直线直流电动机的推力波动[A];直线电机与自动化——2002年全国直线电机学术年会论文集[C];2002年
5 武瑞兵;;基于S函数的永磁同步直线电机的仿真研究[A];煤矿自动化与信息化——第19届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨中国矿业大学(北京)百年校庆学术会议论文集[C];2009年
6 王桂荣;韦巍;;基于小波变换的同步电机IP位置控制器在线设计[A];2005中国控制与决策学术年会论文集(下)[C];2005年
7 朱国昕;郭庆鼎;赵希梅;;基于神经网络补偿的直线伺服系统滑模控制[A];2005中国控制与决策学术年会论文集(上)[C];2005年
8 赵凌志;彭燕;沙次文;许玉玉;李然;刘保林;李建;;液态金属磁流体波浪能直接发电演示装置的数值分析[A];第二届全国海洋能学术研讨会论文集[C];2009年
9 谢宝昌;王建辉;俞希递;;永磁直线同步电动机电磁力研究[A];第十一届中国小电机技术研讨会论文集[C];2006年
10 尤明庆;苏承东;;大理岩试样的长度对三轴压缩试验的影响[A];第九届全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张颖;永磁同步直线电机磁阻力分析及控制策略研究[D];华中科技大学;2008年
2 程远雄;永磁同步直线电机推力波动的优化设计研究[D];华中科技大学;2011年
3 夏加宽;高精度永磁直线电机端部效应推力波动及补偿策略研究[D];沈阳工业大学;2006年
4 王海星;永磁直线同步电动机直接推力控制策略研究[D];中国矿业大学(北京);2010年
5 司纪凯;SPWM电压源供电的永磁直线同步电机特性研究[D];中国矿业大学;2008年
6 潘开林;永磁直线电机的驱动特性理论及推力波动优化设计研究[D];浙江大学;2003年
7 郭伟;基于全分布式数控系统的自治式控制单元及关键技术研究[D];上海交通大学;2008年
8 徐荣珍;面向高速加工的NURBS曲线插补及直线电机鲁棒控制技术研究[D];上海交通大学;2007年
9 张其一;复合加载模式下地基极限承载力与安定性的理论研究及其数值分析[D];大连理工大学;2008年
10 刘吉柱;面向电磁弹射器的永磁直线同步电机驱动系统研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张与厚;永磁同步直线电机推力波动的分析与抑制[D];华中科技大学;2007年
2 赵鹏;直线伺服电机设计及其法向力分析[D];沈阳工业大学;2010年
3 赵丽君;小波分析在直线电机控制中的应用研究[D];沈阳工业大学;2006年
4 赵刚;平板式永磁直线同步电机的设计与磁阻力的计算分析[D];沈阳工业大学;2011年
5 师巍;轴向充磁永磁直线电机推力波动及温度场问题的研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
6 马珍珍;永磁同步直线电机迭代学习控制的研究[D];浙江工业大学;2007年
7 王健;大推力永磁直线伺服电机及驱动器设计[D];沈阳工业大学;2008年
8 朱志;磁悬浮机床用永磁同步直线电机及悬浮系统的研究[D];沈阳工业大学;2009年
9 张明超;永磁同步直线电机推力波动建模与抑制方法研究[D];清华大学;2010年
10 葛进生;岩土试件端部效应影响数值分析[D];大连理工大学;2012年
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