无位置传感器永磁直线同步电机进给系统初始位置估计及控制研究

论文摘要

随着装备制造技术的不断进步,传统的进给系统越来越不能满足高速、高精密机械加工的要求,而永磁直线同步电机（PMLSM）直接进给技术以高速、高精密、快响应、大行程等优异的特性,在高速、高精密机械加工设备中得到了广泛的应用。但现有永磁直线同步电机进给系统中都需要机械位置传感器,位置传感器的存在不仅增加了成本,降低了系统可靠性,而且还带来了安装和维护的困难。因此研究成本低、性能良好的无位置传感器永磁直线同步电机进给系统成为近年来的一个研究热点。本文结合国家自然科学基金资助项目“无位置传感器的高速精密直接进给系统研究（No.50475101）”为背景,以解决永磁直线同步电机进给系统无位置传感器控制关键问题为主要目的,建立永磁直线同步电机进给系统无位置传感器控制系统,并采用理论研究、计算机仿真与实验研究相结合的研究方法,系统地进行算法分析、比较和优化及相应的技术基础研究与实验研究。第一章。阐述本论文研究的背景与重要意义,详细介绍永磁直线同步电机进给系统无位置传感器矢量控制的研究及发展现状,并指出永磁直线同步电机矢量控制与无位置传感器技术存在的关键问题,概述论文研究的主要内容。第二章,在分析永磁直线同步电机空间矢量变换规律基础上,建立永磁直线同步电机的d-q轴模型和α-β轴模型,提出PMLSM无位置传感器矢量控制整体方案。同时,利用Matlab/Simulink软件,构建PMLSM无位置传感器矢量控制仿真系统的基本模块,为后续的研究奠定基础。第三章,分析进给系统初始位置估计对于无位置传感器PMLSM进给系统矢量控制的重要性及对电机平稳启动的必要性。提出利用绕组磁饱和效应检测进给系统初始位置的方法,并用有限元方法分析求解PMLSM的绕组电感饱和特性,得到电感（电流响应）和位置的关系。阐述施加电压脉冲矢量检测初始位置方法的实现过程。实验结果表明,该方法检测精度可以达到7°电角度,完全满足平稳启动的要求。第四章,提出中高速时利用基于反电势积分的估计算法,低速时利用状态增广的扩展卡尔曼滤波估计算法,并利用加权的方法实现两种算法的平滑过渡,取长补短地构成一种复合估计算法。仿真结果表明,构建的复合估计算法在全速范围内具有较好的动、静态性能,受电机参数影响较小,能较好地估计电机速度和位置。第五章,在分析PMLSM进给系统各种控制方法优缺点的基础上,针对无位置传感器控制反馈信号是通过估计得到的特点,设计无位置传感器PMLSM进给系统滑模变结构速度控制器和滑模变结构最优位置控制器,并分析所设计的速度和位置控制器的稳定性与抗扰动能力。仿真结果表明,设计的控制器具有很强的鲁棒稳定性和较好的抗扰动性能。第六章,构建无位置传感器PMLSM进给系统软、硬件系统,重点阐述电压电流检测装置的构成和工作原理、高速数字信号处理器（DSP）及其外围电路的构成和原理,以及采用DSP实现无位置传感器PMLSM进给系统速度和位置估计算法的软件实现方法。进行无位置传感器进给系统速度和位置估计实验,并和实测值进行比较和分析。结果表明,速度与位置估计值和实测值基本一致。第七章,对本论文的研究工作和研究成果进行总结,展望未来的研究工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究目的和意义
• 1.3 永磁直线同步电机进给系统应用现状
• 1.4 永磁直线同步电机控制技术研究现状
• 1.4.1 恒压频比控制
• 1.4.2 磁场定向矢量控制
• 1.4.3 直接转矩/推力控制
• 1.5 永磁直线同步电机无位置传感器技术研究现状
• 1.5.1 适用于中高速时的无位置传感器技术
• 1.5.2 适用于低速时的无位置传感器技术
• 1.5.3 初始位置的估计和启动技术
• 1.6 永磁直线同步电机无传感器技术的发展趋势
• 1.7 本文主要研究内容
• 第二章 无位置传感器PMLSM进给系统矢量控制技术
• 2.1 永磁直线同步电机概述
• 2.1.1 永磁材料的发展与稀土永磁直线同步电机的特点
• 2.1.2 永磁直线同步电机种类和基本结构
• 2.1.3 永磁直线同步电机工作原理
• 2.2 永磁直线同步电机进给系统数学模型
• 2.2.1 永磁直线同步电机坐标系
• 2.2.2 永磁直线同步电机坐标矢量变换
• 2.2.3 永磁直线同步电机进给系统基本方程（a-b-c轴模型）
• 2.2.4 永磁直线同步电机进给系统α-β轴模型
• 2.2.5 永磁直线同步电机进给系统d-q轴模型
• 2.3 永磁直线同步电机矢量控制原理
• 2.3.1 永磁直线同步电机矢量控制基本思路
• 2.3.2 空间矢量脉宽调制算法（SVPWM）
• 2.4 永磁直线同步电机进给系统矢量控制仿真系统
• 2.5 永磁直线同步电机进给系统无位置传感器控制方案
• 2.6 本章小结
• 第三章 无位置传感器PMLSM进给系统初始位置估计算法
• 3.1 引言
• 3.2 永磁直线同步电机绕组电感饱和效应
• 3.2.1 绕组电感饱和效应理论分析
• 3.2.2 绕组电感饱和效应有限元分析
• 3.3 PMLSM进给系统初始位置估计算法
• 3.4 仿真研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 无位置传感器PMLSM进给系统速度和位置复合估计算法
• 4.1 引言
• 4.2 基于反电势积分的PMLSM进给系统速度和位置估计
• 4.2.1 基于反电势积分的闭环估计算法
• 4.2.2 积分方法改进
• 4.2.3 仿真研究
• 4.3 基于AEKF的PMLSM进给系统速度和位置估计
• 4.3.1 扩展卡尔曼滤波（EKF）
• 4.3.2 PMLSM速度和位置AEKF估计算法
• 4.3.3 仿真研究
• 4.4 PMLSM进给系统速度和位置复合估计算法
• 4.4.1 复合估计算法
• 4.4.2 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 无位置传感器PMLSM进给系统控制策略
• 5.1 引言
• 5.2 滑模变结构控制理论基础
• 5.2.1 滑模变结构控制基本原理
• 5.2.2 滑模存在条件
• 5.2.3 滑模变结构控制抖动问题
• 5.3 PMLSM进给系统滑模变结构速度控制
• 5.3.1 速度控制系统数学模型
• 5.3.2 切换函数设计
• 5.3.3 控制率设计
• 5.3.4 滑模存在性和稳定性验证
• 5.3.5 系统仿真
• 5.4 PMLSM进给系统滑模变结构最优位置控制
• 5.4.1 位置控制系统数学模型
• 5.4.2 LQ最优控制器设计
• 5.4.3 滑模控制器设计
• 5.4.4 滑模最优控制器设计
• 5.4.5 滑模存在性和稳定性证明
• 5.4.6 系统仿真
• 5.5 扰动力补偿
• 5.5.1 扰动观测器设计
• 5.5.2 系统仿真
• 5.6 本章小结
• 第六章 无位置传感器PMLSM进给系统实验
• 6.1 引言
• 6.2 无位置传感器PMLSM进给系统的硬件组成
• 6.2.1 PMLSM进给系统
• 6.2.2 电流检测
• 6.2.3 电压检测
• 6.2.4 DSP系统
• 6.2.5 “概念性”集成传感器
• 6.3 无位置传感器PMLSM进给系统的软件实现
• 6.4 无位置传感器PMLSM进给系统实验及性能分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 博士期间发表学术论文和参加科研情况
• A.发表的学术论文
• B.参加的科研项目
• 致谢