空心式永磁直线伺服电机及其驱动控制系统研究

论文摘要

本文以空心式永磁直线伺服电机及其驱动控制系统为研究对象,在进行了大量的相关文献检索和阅读的基础上,主要完成了以下工作:1.空心式扁平型永磁直线伺服电机的分析与设计。介绍了双边空心式扁平型永磁直线伺服电机的结构、特点和绕组形式。采用“等效磁势法”和“等效磁化强度法”对电机内磁场进行解析分析,通过与有限元分析结果的比较,证明“等效磁化强度法”的求解结果是准确的。推导出电机气隙磁密、推力和反电势的解析公式,详细分析了电机主要尺寸对电机性能的影响。提出了电机主要尺寸和性能参数的经验公式,设计了样机,并采用有限元法对样机进行了分析。2.空心式圆筒型永磁直线伺服电机的分析与设计。介绍了轴向充磁的空心式圆筒型永磁直线伺服电机的结构与特点,采用有限元法分析了永磁体尺寸对电机气隙磁场的影响。给出设计该结构电机的经验公式和经验参数,设计了样机,并采用有限元法对样机的磁场、动静态推力、反电势和电感进行了分析。3.永磁直线伺服电机驱动控制系统研究。建立了dq轴坐标下永磁直线电机的数学模型,研究矢量控制在永磁直线电机驱动系统中的应用。设计了基于转子磁场定向(i_d=0)控制的位置、速度、电流三闭环矢量控制系统。最后提出了一种低成本的线性霍尔位置检测方法,对该检测方法的准确性进行了理论分析,并通过实验进行了检验。4.永磁直线伺服系统的实验与应用。设计制造了空心式扁平型永磁直线伺服电机的工作平台,对电机性能进行了测试。将空心式圆筒型永磁直线电机及驱动控制系统应用于食品切片机和电梯门机中,针对不同运行工况条件,分别进行了实验研究,均取得了较好的应用效果。目前食品切片机已经由美国ITW公司生产销售,而电梯门机也已经申请了专利,在“中国国际电梯展览会”上展出,现进入产品鉴定阶段。本文中创新性的工作主要有:1.采用“等效磁势法”和“等效磁化强度法”对双边空心式扁平型永磁直线电机进行解析分析,通过将解析分析结果与有限元分析结果进行对比,证明“等效磁化强度法”的求解结果是准确的,而“等效磁势法”误差较大,具有一定局限性。推导出该结构电机气隙磁密、推力和反电势的解析公式,并详细分析了电机主要尺寸对电机性能的影响。2.针对空心式圆筒型永磁直线伺服电机,采用有限元法分析了永磁体尺寸对气隙磁场正弦度的影响。给出电机主要尺寸和性能参数的经验公式,设计了样机,并将空心式圓筒型永磁直线伺服电机及其驱动控制系统应用于食品切片机和电梯门机系统中,均取得良好的应用效果。3.提出将一种低成本的线性霍尔位置检测方法应用于空心式圆筒型永磁直线伺服系统中。在对电机磁场进行有限元分析的基础上,对该检测方法精度进行了理论分析,设计制造了线性霍尔位置检测器,对其检测精度进行了实验研究。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 第一章 绪论
• §1.1 引言
• §1.2 直线电机概述
• §1.2.1 直线电机的基本结构
• §1.2.2 直线电机的分类
• §1.2.3 直线电机的发展历史
• §1.2.4 直线电机的应用
• §1.3 永磁直线伺服电机概述
• §1.3.1 直线伺服电机的分类
• §1.3.2 永磁直线伺服电机的结构形式
• §1.3.3 永磁直线伺服电机的主要产品
• §1.3.4 永磁直线电机的研究现状
• §1.4 课题背景与本文主要工作
• §1.4.1 课题背景
• §1.4.2 本文主要工作
• 第二章 空心式扁平型永磁直线伺服电机
• §2.1 双边空心式扁平型永磁直线伺服电机的拓扑结构与特点
• §2.2 双边空心式扁平型永磁直线伺服电机的绕组结构
• §2.3 双边空心式扁平型永磁直线伺服电机的解析分析
• §2.3.1 磁场解析分析
• §2.3.2 推力解析分析
• §2.3.3 反电势解析分析
• §2.4 双边空心式扁平型永磁直线伺服电机的设计方案
• §2.5 双边空心式扁平型永磁直线伺服电机的有限元分析
• §2.5.1 双边空心式扁平型永磁直线伺服电机的有限元分析模型
• §2.5.2 双边空心式扁平型永磁直线伺服电机的静态磁场有限元分析
• §2.6 本章小结
• 第三章 空心式圆筒型永磁直线伺服电机
• §3.1 空心式圆筒型永磁直线伺服电机的基本结构与特点
• §3.2 空心式圆筒型永磁直线伺服电机的有限元分析
• §3.2.1 空心式圆筒型永磁直线伺服电机的有限元分析模型
• §3.2.2 永磁体尺寸对气隙磁场的影响
• §3.3 空心式圆筒型永磁直线伺服电机的设计方案
• §3.4 空心式圆筒型永磁直线电机的磁场和性能分析
• §3.4.1 磁场分布
• §3.4.2 推力计算
• §3.4.3 空载反电势
• §3.4.4 电感
• §3.5 本章小结
• 第四章 永磁直线伺服电机驱动控制系统
• §4.1 永磁直线电机的数学模型
• d=0）控制基本原理'>§4.2 转子磁场定向矢量（i_d=0）控制基本原理
• §4.3 基于矢量控制的驱动控制系统
• §4.4 矢量控制系统的硬件实现
• §4.4.1 主控器
• §4.4.2 调试器
• §4.5 矢量控制系统软件实现
• §4.5.1 主控器软件
• §4.5.2 调试器软件
• §4.6 一种低成本的线性霍尔位置检测方法
• §4.6.1 线性霍尔位置检测方法的基本原理
• §4.6.2 线性霍尔检测方法准确性分析
• §4.6.3 线性霍尔元件位置检测硬件电路
• §4.6.4 线性霍尔位置检测方法实验
• §4.7 本章小结
• 第五章 永磁直线伺服驱动系统实验与应用
• §5.1 空心式扁平型永磁直线伺服电机实验
• §5.2 永磁直线伺服电机驱动食品切片机实验
• §5.2.1 推力常数、反电势常数测试
• §5.2.2 运行测试
• §5.2.3 温升测试
• §5.2.4 与Copley电机性能比较
• §5.3 永磁直线伺服电机驱动电梯门系统实验
• §5.3.1 推力常数、反电势常数测试
• §5.3.2 运行测试
• §5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• §6.1 工作总结
• §6.2 工作展望
• 参考文献
• 在读期间发表、参与发表（投稿）论文