交流永磁同步电机与精密传动系统机电耦合分析

论文摘要

伴随着微电子技术、计算机技术和控制技术的迅速发展,微特电机在国民经济各个领域中得到广泛的应用;另外随着新的设计方法和加工技术的不断涌现,精密传动系统的精度也在不断提高,在一些复杂机电系统中还是关键的一个环节。可见特种电机和精密传动系统都在各自领域内都取得了长足的进步,因而对特种电机与精密传动系统的耦合关系的研究有重要的现实意义:提高整个驱动系统的控制精度、响应速度和稳定性,另外对两者的设计和选用也一定的参考价值。本论文主要开展了以下几个方面的工作:（1）在分析了复杂机电系统机电耦合形式的基础上得出了复杂机电系统全局耦合分析的基本思路:首先,通过对耦合事实的提取建立机电系统的耦合模型,然后对模型进行解耦、求解。随后论述了机电系统基本元件方程、机电系统基本回路方程和机电系统耦合模型的建立方法。最后,分析了机电系统耦合模型进行求解常用的两种方法:传递函数法和状态空间法。（2）论文主要依据机电系统全局耦合分析的思路展开,从机电耦合的角度对特种电机（以交流伺服电机为例）和精密传动系统（以精密减速器为例）的机电耦合因素进行了分析。首先依据现代机电系统的设计方法论证了机电耦合实验台的建立过程,其中包括采样频率的确定,位移传感器的选择,交流永磁同步电机和精密减速器的特性分析及选择思路,数据采集系统的硬件构成,数据的处理方法,实验台实验程序的开发。（3）基于前面对机电系统模型建模和求解的方法,建立了典型精密传动系统的简化模型和传递函数。随后用拉格朗日-麦克斯韦方程推导了交流永磁同步电机在三相静止坐标系下的电压数学模型及相应的运动方程。（4）根据前面建立的交流永磁同步电机和传动系统的模型,通过坐标变换实现了电机方程的解耦,由解耦的电机方程生成电机的控制框图,然后根据控制框图在Matlab/Simulink环境下分别搭建了电机和传动系统的仿真模型,分别对电机和传动系统进行了仿真,得到一定的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 伺服系统的发展及国内外研究现状
• 1.3 机电耦合分析及其理论的发展与研究现状
• 1.4 论文的主要内容与结构
• 2 机电系统耦合形式及分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 复杂机电系统的耦合形式
• 2.3 机电耦合分析的过程
• 2.3.1 机电系统基本元件的方程
• 2.3.2 机电系统基本回路的方程
• 2.4 机电系统耦合模型的建立方法
• 2.4.1 建立系统运动方程的方法
• 2.4.2 拉格朗日-麦克斯韦方程
• 2.5 机电耦合系统运动方程的求解方法
• 2.5.1 传递函数法
• 2.5.2 状态空间法
• 2.6 小结
• 3 机电耦合实验台的设计
• 3.1 伺服电机的选择
• 3.1.1 伺服系统的分类
• 3.1.2 交流伺服电机的确定
• 3.2 采样频率的确定
• 3.3 位移检测元件的选定
• 3.3.1 旋转变压器
• 3.3.2 感应同步器
• 3.3.3 光电编码器
• 3.3.4 光栅传感器
• 3.3.5 位移传感器的选定
• 3.4 精密传动系统及负载的确定
• 3.5 实验台系统硬件的组成
• 3.6 数据采集、处理部分的设计
• 3.7 小结
• 4 传动系统和交流伺服电机的数学模型
• 4.1 机械传动系统的动力学模型
• 4.1.1 定轴传动机构的模型
• 4.1.2 齿轮传动机构的模型
• 4.1.3 丝杆螺母机构的模型
• 4.1.4 不能忽略阻尼时传动系统的数学模型
• 4.2 伺服电机系统的数学模型
• 4.3 小结
• 5 机电耦合仿真分析
• 5.1 PMSM 的数学模型的变换
• 5.1.1 PMSM 在两相静坐标系（α- β）下的数学模型
• 5.1.2 PMSM 在二相旋转坐标系（d - q ）下的数学模型
• 5.2 交流永磁同步电机的仿真分析
• 5.2.1 MATLAB 软件简介
• 5.2.2 交流伺服电机的状态方程及控制框图
• 5.2.3 交流伺服电机的仿真分析
• 5.2.4 传动系统的仿真
• 5.3 机电耦合模型的仿真
• 5.4 小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录