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新型开关磁阻平面电机的建模及控制

作　者: 刘霞辉
导　师: 段承先；马春燕
学　校: 太原理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 开关磁阻平面电机 simulink建模机电一体化设计虚拟样机联合仿真
分类号: TM352
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文以山西省自然科学基金项目“平移磁场的电磁特性与平移运动的研究”为研究背景撰写而成。本文首先介绍了目前平面电机的国内外发展现状及研究趋势和常见的几种平面电机,以及平面运动的两种典型方式:旋转传动驱动式平面运动和双向直线电机驱动式平面运动,在详细分析开关磁阻平面电机的工作原理的基础上,从最基本的理论公式推导出开关磁阻平面电机的数学模型,结合具体初始参数进行开关磁阻电机的结构设计。文中对三种常用的开关磁阻电机建模方法进行比较,根据数学模型选取电流法对开关磁阻电机进行Simulink环境下的线性、非线性建模,并针对电感、电压、电流、电磁力和速度的静、动态仿真特性综合对比分析对系统进行优化。文中介绍了设计开关磁阻电机机电一体化系统的设计过程,针对动态模型设计出开关磁阻平面电机的功率部分和控制部分,其中功率部分采用了半桥式不对称功率电路,控制部分采用电流和速度的双环调速和位置跟踪的定位方法。最后介绍了虚拟样机技术,详细探讨了虚拟样机的设计过程与方法,阐明了应用虚拟样机技术研制开关磁阻平面电机的现实意义,将虚拟制造技术与直线式驱动技术相结合,采用计算机辅助设计软件Solid works对开关磁阻平面电机进行了三维概念设计,应用ADAMS/Controls模块与MATLAB联合仿真技术对开关磁阻平面电机原理样机的机械系统和控制系统采取了联合设计、调试,并进行了机电一体化运动仿真分析,最终确定了最优的方案。本课题的研究目的在于把开关磁阻电机的结构、原理和控制方式结合起来,对其模型的动态特性进行深入的理论与仿真分析分析,在保持开关磁阻电机固有特性的基础上,进一步简化电机结构,通过不同的控制方法优化各项参数,以提高整个传动系统的效率和性能。研究结果表明,所设计的新型开关磁阻平面电机具有结构简单,控制策略相对成熟,快速启动,高速步进,准确定位等诸多优点。对开关磁阻平面电机的研究和推广运用必定含有较好的社会效益和广阔的应用前景。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-22
  1.1 平面电动机的发展现状与国内外研究趋势  13-15
    1.1.1 平面电动机的发展现状  13-14
    1.1.2 平面电动机技术国内外研究趋势  14-15
  1.2 几种常见平面电动机  15-18
    1.2.1 步进式平面电动机  15-16
    1.2.2 感应式平面电动机  16-17
    1.2.3 永磁同步平面电机  17-18
    1.2.4 开关磁阻平面电机  18
  1.3 课题的目的和意义  18-19
  1.4 论文的主要内容  19-21
  1.5 本章小结  21-22
第二章开关磁阻平面电机的数学模型与初始参数设计  22-31
  2.1 SRPM 的结构特点与工作原理  22-25
    2.1.1 SPRM 结构特点  22-24
    2.1.2 SPRM 工作原理  24-25
  2.2 SRPM 的数学模型  25-28
    2.2.1 SRPM 的电路方程  25-26
    2.2.2 SRPM 的机械方程  26
    2.2.3 SRPM 的机电方程  26-28
  2.3 SRPM 初始参数设计  28-30
  2.4 本章小结  30-31
第三章开关磁阻平面电机的建模及其静、动态特性  31-50
  3.1 常用开关磁阻电机系统的建模方法  31-36
    3.1.1 电感法  31-32
    3.1.2 磁链法  32-34
    3.1.3 电流法  34-35
    3.1.4 三种建模方法对比  35-36
  3.2 SRPM 模型的静态特性和仿真分析  36-45
    3.2.1 运用Matlab/simulink 建模的特点  36-37
    3.2.2 简化的本体建模  37-41
    3.2.3 线性模型中电感、电流和电压的综合分析  41-45
  3.3 SRPM 模型的动态特性及其仿真分析  45-49
  3.4 本章小结  49-50
第四章开关磁阻电机系统的控制策略  50-70
  4.1 SRPM 启动方式控制过程的仿真分析  50-57
    4.1.1 开通和关断位置对SRPM 性能影响  50-53
    4.1.2 电流斩波控制方式  53-55
    4.1.3 位置控制方式  55-56
    4.1.4 电压脉冲宽度调制控制方式  56
    4.1.5 组合控制  56-57
  4.2 功率变换  57-58
  4.3 SRPM 速度与力性能控制器设计  58-66
    4.3.1 PI 电流控制器设计  58-61
    4.3.2 模糊PID 速度调节器设计  61-66
  4.4 SPRM 位置控制器设计  66-69
  4.5 本章小结  69-70
第五章虚拟制造与多系统联合控制仿真  70-85
  5.1 现代设计方法及CAD/CAE 技术应用  70-75
    5.1.1 虚拟样机技术流程  70-71
    5.1.2 虚拟制造的工程评价  71-72
    5.1.3 常用CAD/CAE 应用软件  72-74
    5.1.4 SRPM 虚拟样机设计  74-75
  5.2 多系统联合控制仿真  75-84
    5.2.1 ADMAS 模型的导入  75-76
    5.2.2 SIMULINK/ADAMS 出入口参数设置  76-78
    5.2.3 机电系统联合仿真参数设置  78-80
    5.2.4 机电系统联合仿真分析  80-82
    5.2.5 系统性能的改善与初始参数调整  82-83
    5.2.6 半实物仿真与实时控制  83-84
  5.3 本章小结  84-85
第六章结论与展望  85-89
  6.1 研究成果和结论  85-86
  6.2 有待进一步研究的内容及展望  86-89
    6.2.1 对虚拟样机技术研究的展望  86-87
    6.2.2 对SRPM 的展望  87-89
参考文献  89-92
致谢  92-93
攻读硕士学位期间发表的论文  93

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