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平板式永磁直线伺服电机及其驱动控制系统研究

作　者: 柳应全
导　师: 叶云岳; 卢琴芬
学　校: 浙江大学
专　业: 电机与电器
关键词: 永磁直线同步电机复合式控制策略滑模变结构控制伺服控制
分类号: TM383.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

永磁直线伺服电机具有推力密度大、传输效率高、响应快速等优点,日益成为高速、高精密直线运动控制中最热门的应用。本文围绕平板式永磁直线同步电机领域,广泛阅读了该领域最新研究成果、系统梳理理论热点、在仿真分析和实验测试的基础上,主要完成了以下工作：第一,基于有限元仿真和实验测试,分析了平板式永磁直线伺服电机的磁阻力特性、推力特性和摩擦力特性。通过建立单元齿槽磁阻力模型并列出各关键位置点处的齿槽磁阻力表达式,得到永磁直线同步电机的齿槽磁阻力波长应是槽距和极距的最大公约数的结论;第二,在理论分析永磁直线伺服电机的数学模型和对扰动因素的基础上,提出了“PID反馈控制+前馈补偿+观测再补偿”的复合式控制策略。在传统PID反馈控制中嵌入针对确定力模型的前馈补偿方案和针对负载扰动的补偿方案,并由仿真分析进行验证；第三,在分析永磁直线同步电机数学模型的基础上,建立了位置环滑模变结构控制状态方程和等效控制模型,且提出了更为精确全面的控制参数和等效模型参数的确定方法,设计了带积分补偿器的位置环滑模控制器。通过仿真对传统结构和带积分补偿器结构进行了比较,得出以下结论：带积分补偿器结构能够较好地克服系统受外力干扰和负载变化所产生的振荡现象,有效地削弱了滑模变结构的抖振现象,克服系统动子质量和永磁铁磁链扰动产生的系统振荡,提高系统的鲁棒性和控制精度；第四,设计了永磁直线伺服电机驱动控制器,由试验验证了伺服控制系统速度闭环控制和位置闭环控制的性能。

全文目录

致谢  7-8
摘要  8-9
Abstract  9-10
第一章绪论  10-15
  1.1 课题应用背景  10-11
  1.2 国内外技术现状  11-14
    1.2.1 直线电机在国际上的发展概述  11-12
    1.2.2 直线伺服电机的技术现状及发展趋势  12-13
    1.2.3 永磁直线伺服电机的控制理论发展  13-14
  1.3 论文的主要研究内容  14-15
第二章平板式永磁直线伺服电机分析  15-30
  2.1 永磁直线伺服电机分类  15-17
  2.2 动磁式结构与动铁(圈)式结构分析  17-18
  2.3 平板式永磁直线伺服电机的磁阻力分析  18-25
    2.3.1 端部磁阻力分析  18-21
    2.3.2 齿槽磁阻力分析  21-25
  2.4 平板式永磁直线同步电机的推力特性分析  25-27
  2.5 平板式永磁直线伺服电机的摩擦力分析  27-29
    2.5.1 滑动摩擦力和粘滞摩擦力分析  27-29
    2.5.2 最大静摩擦力分析  29
  2.6 本章小结  29-30
第三章平板式永磁直线伺服电机驱动控制系统  30-61
  3.1 永磁直线同步电机的电压方程及控制策略  30-33
    3.1.1 永磁直线同步电机的电压方程  30
    3.1.2 永磁直线同步电机的控制策略  30-33
  3.2 永磁直线伺服电机的运动方程及扰动力分析  33-37
    3.2.1 永磁直线伺服电机的运动方程  33-35
    3.2.2 永磁直线伺服电机的数学模型  35-36
    3.2.3 永磁直线伺服系统的扰动因素分析  36-37
  3.3 永磁直线伺服系统的确定力模型的辨识和补偿研究  37-43
    3.3.1 磁阻力和摩擦力的建模  37-38
    3.3.2 控制系统的状态方程  38-39
    3.3.3 前馈补偿器的设计  39-40
    3.3.4 仿真分析  40-43
  3.4 永磁直线伺服系统的负载扰动的辨识和补偿研究  43-48
    3.4.1 突加负载扰动的观测模型  43-44
    3.4.2 非线性干扰项的补偿分析  44
    3.4.3 高阶滤波器的设计  44-45
    3.4.4 仿真分析  45-48
  3.5 永磁直线伺服系统的滑模变结构控制研究  48-54
    3.5.1 位置环滑模控制器的设计  48-50
    3.5.2 带积分补偿的控制律设计  50-51
    3.5.3 切换参数C的选择  51-52
    3.5.4 仿真分析  52-54
  3.6 永磁直线伺服电机的光栅尺校准和预定位方法  54-57
    3.6.1 光栅尺的安装和校准  54-55
    3.6.2 基于开关霍尔实现的预定位方法  55-57
  3.7 永磁直线伺服电机驱动控制系统设计  57-59
    3.7.1 动控制系统拓扑结构  57-59
    3.7.2 驱动控制系统保护机制  59
  3.8 本章小结  59-61
第四章平板式永磁直线伺服系统运行测试  61-76
  4.1 伺服系统的速度控制运行测试  62-65
    4.1.1 突加/减速时的测试结果及分析  62-64
    4.1.2 设定速度曲线时的测试结果及分析  64-65
  4.2 伺服系统的位置控制运行测试  65-71
    4.2.1 位置阶跃响应曲线及定位精度分析  66-69
    4.2.2 设定位置曲线时的测试结果及跟踪误差分析  69-71
  4.3 伺服系统综合性能测试  71-75
    4.3.1 静态推力测试  71-73
    4.3.2 最大速度/加速度测试  73-74
    4.3.3 重复定位精度测试与分析  74-75
  4.4 本章小结  75-76
第五章结论与展望  76-78
  5.1 主要工作和论文结论  76-77
  5.2 后续工作展望  77-78
作者简介  78
攻读硕士学位期间发表与录用的论文  78-79
参考文献  79-85

平板式永磁直线伺服电机及其驱动控制系统研究

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