发布时间 : 星期四 文章交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计更新完毕开始阅读
控制，矢量控制就是将三相电流矢量分解为两个独立的电流分量，以实现单独控制。一般是使磁场分量为零，使输出力与交轴电流具有线性关系。电流矢量与速度反馈回路也有耦合作用，在动态过程中，可以采用解耦控制算法加以解决，使各变量间的耦合减小到最低限度，以使各变量都能得到单独的控制[8]。
2．现代控制方法
随着科学技术的发展，对各种机械零件的加工精度要求愈来愈高，必须考虑控制对象参数乃至结构的变化、非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变的不确定因素，才能得到满意的控制效果。在实际应用需求的呼唤下，在计算机高速度、低成本所提供的良好物质条件下，一系列现代控制方法应运而生，并应用于实际中，如非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、预见控制、鲁棒控制、辨识算法[8]。现代控制算法都有很强的针对性和复杂的算法，选择时应结合应用场合和控制性能要求选择相应的控制策略。
3．智能控制算法
从60年代起，为了提高控制系统的自学习能力，人们开始注意将人工智能技术与方法应用于控制系统。对控制对象、环境与任务复杂的系统宜采用智能控制方法。模糊逻辑控制、神经网络和专家控制是当前三种比较典型的智能控制策略。针对直线永磁交流伺服系统的控制器设计，主要应用了神经网络的学习能力和模糊控制器的逻辑判断和推理能力。其中模糊控制器专用芯片已经商品化，因其实时性好、控制精度高，在伺服系统中已有应用。如图1.6是典型的模糊PID控制结构，这样根据输入差分等级不同建立相应的模糊控制
r e 比较 ?e 处理 2?e 模 糊 控制器 u ∑ 控制对象 y 图1.6 典型的模糊PID控制结构
规律或做相应的改进。神经网络的应用是与模型参考自适应控制相结合提出了模型参考自适应神经网络控制的一种新型控制技术，它兼具了两者的优点，更进一步提高了直线电机系统的伺服性能。专家控制一般用于复杂的过程控制中，在伺服系统中研究较少。预计在不远的将来，智能控制策略必将成为交流直线电机伺服系统中最重要的控制方法之一[9] 。
综上所述，可以看出直线电机的控制算法运算量较大，而且在高速加工进给系统的实
际应用实时性要求很强。因此，要提高直线电机伺服控制系统的总体性能，应选择高性能的运算单元和伺服控制方案。在高速加工中心进给系统中通常采用全数字驱动技术，以PC机作为基本平台，采用DSP实现伺服控制。
1.3.3 试验研究
旋转电机的试验技术已经很成熟，但是很少有专门介绍直线电机试验技术的文献，试验研究又在直线电机技术发展中的起很大作用。由于结构和运行方式均不同于旋转电机，因此，直线电机的试验方法也有其特殊性，需专门设计试验台和试验方法。
1.4 本文主要研究内容
本文研究了基于交流永磁直线同步电机的伺服控制单元，主要包括硬件的选型设计和软件控制算法的实现，并初步做了相关的验证性实验。主要内容包括：
1．交流永磁直线同步电机伺服控制的总体方案分析； 2．交流伺服控制单元硬件结构的分析和选型； 3．交流永磁直线同步电机数学模型和控制算法的研究； 4．全数字交流伺服控制单元的软件结构和控制界面研究；
第2章 交流永磁直线同步电机基本结构
2.1实验用交流永磁同步电机基本结构
本课题所用直线电机为我系自己设计开发的交流永磁同步直线电机，如图2-2所示。
图2-2 交流永磁同步直线电机 此直线电机为平板式永磁同步直线电动机。在结构上主要由初级、次级、导轨、传感
器、拖链等部分组成。初级和次级是直线电机产生推力的两个最重要的部件，他们的结构组成很大程度上决定了电机的性能。直线导轨起着支撑作用，使动子在运动中始终和定子保持固定的间隙。传感器主要有光栅、磁极霍尔、电流霍尔。
2.2 初级结构设计
永磁同步直线电机的初级主要由电枢绕组和铝芯两大部分组成。电枢绕组由在同一平面上按照一定规律沿纵向排列并互相连接在一起的多组线圈构成；铝芯是被铣出具有一定槽型和齿型；绕组线圈有规律绕接在铝芯的齿槽中。电枢绕组由高耐热漆包线作为绕组线圈的导线，铝心既是绕组线圈的安装和支撑结构，也是电机的磁路组成部分。起着汇聚磁通、减小磁漏，提高气隙密度和推力的作用。
绕组的基本单位是线圈。每个绕组有两个直线边，分别嵌入在铝心的两个齿槽内，是
绕组的有效部分，也是电磁能量转换的主要部分。绕组的两个有效边沿纵向相隔的距离称为绕组的节距。当绕组的节距与极距相等时称为整距绕组，节距小于极距时称为短距绕组。根据每个齿槽内嵌入绕组边数的不同，绕组可以分为单层绕组和双层绕组，每个齿槽内嵌入一个绕组边时为单层绕组；每个齿槽内签入两个绕组边，且分为上下两层时，为双层绕组。单层绕组多为整距绕组，双层绕组多为短距绕组。根据每相每极分布的绕组边数不同，绕组可分为集中绕组和分布绕组。单层绕组每相每极仅有一个绕组边时为集中绕组，双层绕组每相每极有多于两个绕组边时为分布式绕组。分布式绕组对抑制谐波有好的效果，双层绕组多采用分布式绕组。由于直线电机无法像旋转电机那样绕组线圈沿圆周分布，并最终首尾相连闭合，所以存在特有的端部效应。而双层短距分布绕组端部效应相比单层整距集中绕组更为明显，所以我们选择单层整距集中绕组。
通电线圈与对应的N极或者S极永磁体产生电磁作用。各线圈的感应力的方向相同时，合力才能最大，因此三相绕组的排列顺序不能随意变化。如果采用单纯的绕组平移，结果会出现“混相”，这样感应力的方向相反，部分力相互抵消，所以是不可取的。如果直接去掉某一槽中的线圈产生“空槽”，那么三相绕组的电参数出现不对称，会导致明显的推力波动，不符合电动机设计的基本要求。本实验采用“绕组空槽法”，采用绕组重组产生空槽，保持原绕组各相的次序不变，仅变化空槽对应的绕组。这种接线方式没有使绕组浑相，各槽电流方向也同原来一样，保留了无空槽绕组的特性。
2.3次级结构设计
次级主要由永磁体和纯铁底板组成。1983年问世的稀土钕铁硼（NdFeB）是第三代稀土永磁体，稀土钕（Nd）在稀土矿中含量丰富，价格低廉。钕铁硼永磁体的剩磁密度（Br）达到1.4T，矫顽力（Hc）达到990KA/m，最大磁能积(B.H)max高达390KJ/m3。在一
定温度范围内的退磁曲线呈直线。本实验设计的直线电机选择了我国生产的具有良好性能的稀土钕铁硼作为次极永磁体。高性能钕铁硼稀土永磁材料的性价比远远高于其它永磁材料，目前是高磁场永磁电机的首选材料。我国具有丰富的稀土资源，在成本方面具有发展高性能钕铁硼永磁电机的得天独厚的优势
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次极永磁体通过气隙与初级绕组和铁心相互耦合，在初级绕组中产生磁链，磁链的变化产生空载反电动势。反电动势是电动机最重要也是最基本的设计参数和性能指标，对电机推力性能有重要影响。理想状态中，反电动势具有正弦形状的电动势波形，为了更加接近理想状态，磁钢的排列作了一系列改进。本实验中电机的极距为30mm，磁钢宽度是22mm，