大推力永磁直线伺服电机及驱动器设计

论文摘要

现代高档数控机床对直线进给伺服系统的性能提出越来越高的要求,研究直线伺服电机直接驱动技术具有很重要的意义。本论文分析了机床用大推力永磁直线伺服电机的推力波动原因,基于有限元电磁场计算理论进行了直线电机电磁场及推力波动计算,根据计算结果进行了大推力直线电机的电磁设计和机械结构设计。采用DSP芯片TMS320LF2407A设计制作了直线电机驱动系统模型。端部效应、齿槽效应是引起永磁直线伺服电机推力波动的主要原因,大推力直线伺服电机端部效应、齿槽效应更为显著,推力波动更为严重。为了削弱永磁直线伺服电机的推力波动,本文采用了基于磁导调制的永磁直线伺服电机设计方法,电机的初级采用开口槽,利用齿槽磁导与端部磁导相调制,使总磁导波均匀分布在奇数个永磁体磁极内。将磁导调制方法与分数槽绕组理论有机结合应用于永磁直线伺服电机的设计中,有效地削弱了永磁直线伺服电机端部效应引起的推力波动。另外,从直线电机生产工艺的要求出发,针对大推力永磁直线伺服电机的生产特点,进行了直线电机的机械结构设计。冷却系统采用水冷结构,同时很好地考虑了冷却件的机械加工问题。初级绕组采用单齿集中成型线圈,具有短距与分布效应,且有工艺性好、绕组端部短、推力密度高的特点。基于矢量控制原理,利用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A构建了机床用永磁直线伺服电机的驱动系统模型,采用三菱公司的IPM模块PM30CSJ060完成驱动。驱动系统模型的硬件电路设计较完善,形成了基本的直线电机矢量控制软件框架,为以后开发先进的控制算法提供了基本的硬件基础与软件平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 课题的来源和国内外发展情况
• 1.2.1 课题来源
• 1.2.2 国内外发展情况
• 1.2.3 课题展望
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第二章 永磁直线伺服电机原理及推力波动分析
• 2.1 永磁直线伺服电机的基本原理
• 2.2 永磁直线伺服电机的数学模型
• 2.3 永磁直线伺服电机推力波动分析
• 2.3.1 纹波推力波动分析及其削弱方法
• 2.3.2 齿槽推力波动分析及其削弱方法
• 2.3.3 永磁直线伺服电机的端部效应分析
• 2.3.4 端部效应推力波动分析及其削弱方法
• 第三章 永磁直线伺服电机电磁场及推力波动计算
• 3.1 永磁直线伺服电机电磁场计算
• 3.2 永磁直线伺服电机推力波动计算
• 3.2.1 基于ANSYS的大推力PMLSM空载电磁推力波动计算
• 3.2.2 基于ANSYS的大推力PMLSM负载电磁推力波动计算
• 第四章 磁导调制式大推力直线伺服电机设计
• 4.1 磁导调制式永磁直线伺服电机设计
• 4.1.1 PMLSM磁导调制设计思想
• 4.1.2 PMLSM磁导调制设计一般规律
• 4.2 大推力PMLSM设计主要约束条件
• 4.3 大推力磁导调制式PMLSM的电磁设计
• 4.3.1 槽数和极数的确定
• 4.3.2 初级齿槽比的确定
• 4.3.3 初级端齿宽度的确定
• 4.3.4 次级永磁体极弧系数的确定
• 4.3.5 气隙长度的确定
• 4.4 大推力磁导调制式PMLSM的机械结构设计
• 4.4.1 初级冲片机械结构设计
• 4.4.2 水冷装置的机械结构设计
• 4.4.3 永磁体及次级轭的机械结构设计
• 第五章 永磁直线伺服电机控制电路设计
• 5.1 直线电机驱动器整体结构设计
• 5.2 直线电机驱动器硬件设计
• 5.2.1 电源电路板的设计
• 5.2.2 控制电路板的设计
• 5.2.3 主回路电路板的设计
• 5.2.4 显示与键盘电路板的设计
• 5.3 直线电机驱动器软件设计
• 5.3.1 电流采样
• 5.3.2 矢量坐标变换
• 5.3.3 数字PI调节器
• 5.3.4 SVPWM波形的产生
• 5.4 直线电机驱动器调试
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录A 有限元电磁场分析流程图
• 附录B 电源电路板原理图
• 附录C 控制电路板原理图
• 附录D 驱动电路板原理图
• 附录E 显示电路板原理图
• 附录F 位置给定电路板原理图
• 在学研究成果
• 致谢