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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。


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