高响应短行程直线直流电机的建模、控制与实验研究

论文摘要

直线电机直接驱动精密控制系统是近十几年发展起来的一种新型进给传动方式,由于它消除了传统机械传动链所带来的一系列不良影响,极大地提高了进给系统的快速反应能力和控制精度,在各类高速、精密加工设备中具有广阔的应用前景。因此,得到了国内外学术界和工业界的广泛关注。本论文在明确直线电机及其控制技术研究的理论意义、实用价值、发展现状和趋势的基础上,针对一种新研制的高响应短行程永磁直线直流电机提出了位置伺服控制的相关理论和方法,重点研究了直线电机的数学模型、控制策略、控制系统的设计与实现以及相关的实验,解决了高响应短行程永磁直线直流电机应用于直接驱动动态聚焦模块伺服控制系统实践过程中所遇到的相关技术问题。首先阐述了短行程永磁直线直流电机的基本工作原理和结构特点,然后从能量转换的基本定律出发,采用理论分析的方法,结合其具体应用对象对直线电机动态特性的关系式进行了推导,提出和建立了直线电机的数学模型,给出了直线电机的动态系统结构图和传递函数关系式。此外,还对直线电机的动态特性和影响其动态性能的参数进行了分析,并对其数学模型进行了实验验证。在对直线电机伺服控制系统数学模型进行研究的基础上,针对直线电机位置伺服控制系统要求有较好的位置跟踪性能的特点,提出了基于对象模型的位置前馈跟踪控制策略,设计了相应的反馈控制器和前馈控制器。研制出了基于数字信号处理器DSP(TMS320LF2407A)的直线电机数模混合双闭环(位置环和电流环)位置伺服控制系统,即位置环为数字控制,由DSP完成,用于实现位置前馈跟踪控制算法和较高的位置控制精度,而电流环及PWM由模拟电路完成,以满足电流环实时控制的需要。此外,对基于DSP的数字控制器的硬件采用总线隔离驱动技术结合其实际应用进行了系统扩展,设计了数字控制器软件,并对硬件和软件设计中的相关技术进行了研究和探讨。针对直线电机实验研究的特殊性,建立了基于DSP开发系统的实验研究平台,利用直线电机自带的光栅尺,对直线电机及其位置伺服控制系统进行了系统的实验研究。首先对直线电机的模型参数和性能参数进行了测量,然后对位置前馈跟踪控制策略进行了实验验证,实验对比结果表明了提出的控制策略的有效性。研制了直线电机直接驱动动态聚焦模块试验样机系统。论文对一种新研制的高响应短行程永磁式直线直流电机的工作机理、数学模型、控制策略、控制系统的设计与实现以及相关的实验进行了系统的研究,并在理论和实践研究中取得了一些成果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.2 直线电机的发展与研究现状
• 1.3 直线电机控制技术综述
• 1.4 本文的主要研究内容、创新点及组织结构
• 2 直线直流电机的结构与工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 直线直流电机的基本工作原理及支承结构形式
• 2.3 直线直流电机的结构特点及与国外同类产品比较
• 2.4 磁路结构形式
• 2.5 小结
• 3 直线直流电机的数学模型
• 3.1 引言
• 3.2 直线直流电机的数学模型
• 3.3 直线直流电机的动态特性分析
• 3.4 直线直流电机的数学模型仿真与实验研究
• 3.5 小结
• 4 直线直流电机位置伺服控制系统研究
• 4.1 引言
• 4.2 直线直流电机控制系统组成
• 4.3 控制系统的数学模型
• 4.4 位置开环控制系统数学模型仿真与实验研究
• 4.5 位置闭环控制器设计
• 4.6 小结
• 5 基于DSP 的数字控制器设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 基于DSP 的数字控制器系统结构
• 5.3 数字控制器硬件设计与实现
• 5.4 数字控制器软件设计与实现
• 5.5 数字控制器设计中的一些关键技术
• 5.6 小结
• 6 实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验研究中的几点说明
• 6.3 直线直流电机的模型参数测定和静、动态性能实验
• 6.4 位置闭环控制系统实验研究
• 6.5 小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 附录2 申请专利附页