探针定位用两自由度电机系统的研究

论文摘要

探针定位系统是燃气轮机引射冷却吹风试验台的重要组成部分,控制压力探针作高精度直线和旋转运动,以及多支探针间的协调运动,实现对空气流场的分布式高精度测量,是提高吹风试验中对空气流场特性分析质量的关键性因素。本文出采用两自由度电机实现探针定位的方案。用一台电机,实现两个自由度的运动,减小探针定位系统的体积,直接驱动可以保证恒定的速度特性和较大的加速度,大大提高了控制精度。另外,采用两自由度电机,结构简单,由很少组件组成,因此需要的润滑也较少。这意味着它的使用寿命较长以及运行比较干净。提出的探针定位用两自由度电机实现方案为轴向运动通过一个直线电机实现,径向运动部分通过一个旋转电机实现。直线电机做成中空轴,直线电机的动子与旋转电机的定子做成一个部件,这样既实现了两个自由度电机的结合,又缩小了电机尺寸。确定了轴向运动的直线电机采用短初级、圆筒型、径向式磁路永磁同步结构。用永磁体励磁,无需外加励磁绕组,使电机结构简化,以满足探针狭小空间要求。采用永磁同步,控制性能好、位置精度高,以满足探针定位系统的控制要求。采用短初级结构,可以降低成本。采用径向式磁路结构结构简单,制造容易。管型结构简单、适合高速直线运动、初级绕组利用率高、无横向边缘效应、容易克服单边磁拉力问题、易于调节和控制、适应性强。本文对于这个直线电机,进行了电磁设计和仿真,仿真研究说明电机设计是合理而可行的。提出并设计了基于混合式步进电动机原理的径向运动部分,混合式步进电动机兼有反应式和永磁式步进电动机的优点,既可以有小的步距角,同时又具有定位转矩,本文给出了步进电机的电磁设计和仿真,仿真结果说明该电机满足了探针定位系统的精度要求,实现了断电定位功能。设计的两自由度电机控制系统,控制系统采用位置和速度双闭环控制,轴向线位移为200mm,精度为±3 mm。径向运动部件的混合式步进电机,可360°旋转,精度要求0.1°。通过控制脉冲,控制位置和速度,采用180细分控制,每步分辨率为1.8°/180=0.01°。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 探针定位系统的研究现状
• 1.2.1 探针定位系统的工作环境与要求
• 1.2.2 探针定位系统的研究现状
• 1.2.3 国外研究现状
• 1.2.4 国内研究现状
• 1.3 直线电机的研究现状及分析
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 两自由度电机轴向运动部分的设计及仿真研究
• 2.1 基于两自由度电机的探针定位系统方案的确定
• 2.2 两自由度电机轴向运动部分的设计
• 2.2.1 轴向运动部分结构的确定
• 2.2.2 轴向运动部分结构设计
• 2.2.3 轴向运动部分电磁设计
• 2.3 轴向运动部分的仿真分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 两自由度电机径向运动部分的设计及仿真研究
• 3.1 两自由度电机径向运动部分的电机类型和结构形式的选择
• 3.1.1 电机类型选择
• 3.1.2 结构形式的选择
• 3.1.3 控制方式的选择
• 3.2 两自由度电机径向运动部分的设计
• 3.2.1 径向运动部分设计的基本考虑
• 3.2.2 径向运动部分的结构设计
• 3.2.3 径向运动部分的电磁设计
• 3.3 径向运动部分的仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 两自由度电机驱动控制系统研制
• 4.1 两自由度电机驱动控制系统的总体要求与基本控制方案
• 4.2 轴向运动用永磁同步直线电机驱动控制系统的研究
• 4.2.1 轴向运动用永磁同步直线电机驱动控制系统的总体结构
• 4.2.2 轴向运动用永磁同步直线电机的驱动控制系统的硬件设计
• 4.2.3 轴向运动用永磁同步直线电机的驱动控制系统的仿真分析
• 4.3 径向运动用步进电机驱动控制系统的研究
• 4.3.1 径向运动用步进电机驱动控制系统控制策略的制定
• 4.3.2 径向运动用步进电机驱动控制系统硬件设计
• 4.3.3 径向运动用步进电机驱动控制系统软件设计
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢