高精度永磁直线电机端部效应推力波动及补偿策略研究

论文摘要

现代高档数控机床对伺服进给系统提出了“高速、高精度”的双重要求。采用永磁直线电机直接驱动是实现机床高速、高精度进给的必要途径之一。本文以永磁直线伺服电机(PMLSM)为研究对象,在国家自然科学基金项目和省自然科学基金项目的资助下,针对永磁直线伺服电机的端部效应引起的推力波动及其补偿控制策略进行了系统的研究。主要内容如下: 1.对永磁直线伺服电机空载端部效应以及负载电流对端部效应的影响等问题进行分析计算,推导出了矢量控制运行状态下永磁直线电机推力模型及端部效应引起的推力波动表达式。并分析了机床用永磁直线电机端部效应推力波动的主要因素。 2.将磁导调制方法应用于永磁直线伺服电机的设计。采用开口槽形,将齿槽磁导波与端部磁导波在一个极距内均匀移相调制,以有效削弱永磁直线伺服电机的端部效应和齿槽效应,减小电机的推力波动,提高伺服机构的定位精度。 3.将分数槽绕组理论与磁导调制方法有机结合,并应用于永磁直线伺服电机绕组设计中,给出真分数槽、特殊集中相带的磁导调制式直线伺服电机的电磁设计原则和绕组设计方法。并对12极典型电机进行了具体参数设计和磁场优化设计计算及推力波动测试实验。 4.针对机床用永磁直线伺服电机短初级、长次级的特点以及多电机并行驱动结构安装的灵活性,提出两单元段间移相电机设计方法,根据端部效应推力波动的幅—相特性优化段间移相角,以进一步削弱推力波动幅值。并对移相电机的绕组供电方式进行了设计、分析和计算。针对90°移相和幅—相特性优化移相方案样机进行了空载和负载推力测试。 5.为进一步提高直线进给系统的伺服精度,根据永磁直线伺服电机端部效应扰动的周期性特点,提出基于位置和电流的二维补偿模型的快速补偿控制策略。构建了幅—相特性优化样机补偿表,并进行了对比实验。 6.采用B样条神经网络作为函数逼近器来实现对由端部效应等引起推力波动的观测,以提高补偿的精度。仿真结果验证了控制策略的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的和意义
• 1.1.1 高速切削加工对机床直线进给机构的要求
• 1.1.2 永磁直线伺服电机驱动的优势和意义
• 1.1.3 课题研究背景
• 1.2 国内外研究状况及发展趋势
• 1.2.1 直线电机端部效应分析研究状况
• 1.2.2 永磁直线电机端部效应补偿控制策略研究状况
• 1.3 论文主要研究对象、目标及实现方法
• 第二章 永磁直线电机端部效应推力波动分析计算
• 2.1 永磁直线电机端部效应分析
• 2.1.1 永磁直线电机磁阻力（Detent Force）分析
• 2.1.2 矢量控制策略下永磁直线电机推力特性数学表达
• 2.1.3 永磁体励磁磁场的畸变引起的推力波动分析
• 2.2 永磁直线电机的有限元分析计算
• 2.2.1 永磁直线电机的结构特点
• 2.2.2 6极36槽永磁直线电机空载有限元分析计算
• 2.2.3 6极36槽永磁直线电机负载有限元分析计算
• 2.3 6极36槽电机样机推力波动实验
• 本章小结
• 第三章 磁导调制式高精度永磁直线电机优化设计
• 3.1 磁导调制式直线电机设计思想
• 3.2 分数槽绕组理论在磁导调制式直线电机中的应用
• 3.3 磁导调制式直线电机的分析与计算
• 3.3.1 分数槽绕组分析
• 3.3.2 绕组因数
• 3.3.3 相带的分析计算
• 3.3.4 单元电机的概念比较
• 3.4 磁导调制式直线电机磁场分析计算
• 3.5 磁导调制式永磁直线电机样机推力波动测试
• 3.5.1 空载推力波动测试
• 3.5.2 负载推力波动测试
• 本章小结
• 第四章 磁导调制式直线电机两单元段间移相优化设计
• 4.1 两单元段间移相优化设计方案的提出
• 4.2 90°移相两单元直线电机方案
• 4.2.1 绕组设计分析
• 4.2.2 六相不对称绕组供电
• 4.3 两单元段间移相永磁直线伺服电机优化设计
• 4.3.1 峰值对称优化设计
• 4.3.2 幅-相特性法移相角优化设计
• 4.4 段间移相直线电机推力波动试验研究
• 4.4.1 基于TMS320F2407A型DSP的矢量控制系统的实现
• 4.4.2 段间优化移相电机推力波动动态测试方案
• 4.4.3 推力波动测试工作台及直线电机段间移相结构安装及测试
• 本章小结
• 第五章 基于补偿模型的永磁直线电机端部效应扰动快速补偿
• 5.1 引言
• 5.2 永磁直线电机端部效应推力波动模型
• 5.3 基于端部效应推力波动模型的快速补偿策略
• 5.4 基于DSP的速度闭环电流补偿控制系统的实现及实验
• 5.4.1 基于矢量控制及查表补偿技术的DSP控制实验系统
• 5.4.2 实验对比分析
• 本章小结
• 第六章 基于B样条网络的端部效应推力波动补偿器的设计
• 6.1 引言
• 6.2 永磁直线伺服电动机的数学模型
• 6.3 B样条网络
• 6.3.1 B样条基函数
• 6.3.2 B样条网络的学习
• 6.4 补偿器的设计
• 6.5 仿真研究
• 本章小结
• 第七章 结论
• 在学研究成果
• 致谢