永磁同步直线电机稳定性分析与研究

III

目 录 摘 要 ................................................................................................................... I I Abstract .............................................................................................................. I I 目 录 .................................................................................................................. I II 第1章 绪论 ....................................................................................................... 1 1.1 研究背景和意义 .................................................................................... 1 1.2 直线电机在直驱系统中特点分析 ........................................................ 2 1.3 直线电机的发展历程及直线电机控制系统的研究过程 .................... 3 1.3.1 直线电机国内外研究现状 ............................................................................... 3 1.3.2 直线电机控制系统的研究过程 ....................................................................... 6 1.4 本文主要研究内容 ................................................................................ 8 第2章 交流永磁同步直线电机基本结构 ....................................................... 9 2.1 直线电机分类 ........................................................................................ 9 2.2 本仿真实验所用交流永磁同步电机基本结构 .................................... 9 2.2.1 初级结构设计 ................................................................................................... 10 2.2.2 次级结构设计 ................................................................................................... 10 2.3 电机的装配 .......................................................................................... 12 2.4 直线电机的基本运行原理 .................................................................. 12 2.5 直线电机的运动模型 .......................................................................... 13 2.6 直线电机物理模型 .............................................................................. 14 2.7 本章小结 .............................................................................................. 15 第3章 直线电机的控制方法研究 ................................................................. 17 3.1 直线电机控制策略 .............................................................................. 17 3.1.1 V/F 控制 .............................................................................................................. 17 3.1.2 矢量控制 ............................................................................................................ 17 3.1.3 直接推力控制 ................................................................................................... 18 3.2 交流永磁直线同步电机的矢量控制 .................................................. 18 3.2.1 0=d i 控制实现方法 ...................................................................................... 19 3.2.2 0=d i 控制方法下直线电机简化数学模型 .. (19)

3.3 矢量控制坐标变换 (20)

3.4 脉宽调制技术 (23)

3.5 本章小结 (28)

第4章直线电机的建模及PID仿真 (29)

4.1 永磁同步直线电机在Matlab/Simulink下的仿真模型设计 (29)

4.2 直线电机的PID控制 (31)

4.2.1 模拟PID控制算法 (31)

4.2.2 基本数字PID控制算法 (32)

4.2.3直线电机在MATLAB/simulink软件下仿真 (33)

4.3 本章小结 (39)

第5章直线电机模糊PID控制仿真 (41)

5.1 模糊控制理论 (41)

5.1.1 对模糊控制理论的简介 (41)

5.1.2 模糊控制方法基本结构 (41)

5.2 模糊PID控制系统的结构 (42)

5.3 模糊PID控制器中模糊算法的设计 (43)

5.3.1 隶属函数和模糊化的建立 (43)

5.4 直线电机在模糊PID控制算法下的仿真模型分析 (48)

5.4.1 速度环节的模糊PID控制模块 (48)

5.4.2 Fuzzy Logic 编辑器 (49)

5.4.3 仿真分析 (50)

5.5 本章小结 (52)

第6章总结与展望 (53)

6.1 总结 (53)

6.2 展望 (54)

参考文献 (55)

致谢 (57)

作者简介 (58)

IV

青海大学硕士学位论文 第1章 绪论

1 第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

未来制造业的发展方向将是精密化、模块化、高速化。在90年代初，我国机床领域得到了快速的发展，高精度加工技术发展尤为迅速，为了满足高速电主轴对加工的要求，其中最为关键的技术就是快速进给伺服系统[1]。快速进给伺服系统的要求有：1、系统与高速主轴相互匹配，速度必须要高于60m/min ；2、具有较高的加速度，要求在较短的时间内达到指定速度，加速度要高于要1～2ｇ；3、要具有较好的动态性能，能够快速的进行误差补偿和伺服控制，系统的定位精度和刚度均较高。

可以采用两种方式来实现高速进给系统，滚珠丝杠和直线电机传动。滚珠丝杠传动方式下，通过旋转伺服电机对滚珠丝杠进行驱动，这种方式最大只能够实现60m/min 的速度，加速度的限值也为1.5g 。而且这种方式结构复杂，电机和工作台之间通过多个环节进行连接。高速运行下各个元器件之间的摩擦、弹性变形以及反向间隙等因素都会造成运动滞后，导致运行特性的非线性误差，系统惯性质量较大，不能快速的对控制指令作出响应[2]。此外，这种结构在工作中会因摩擦而产生大量的热量，导致工件受热变形，最终影响到加工的精度。为了解决这一问题，人们开始寻求新的进给系统，研究者提出了直线电机的传动方式，直线电机同工作台部件直接连接，中间不存在传动环节，机床的传动链被取消。电机对机床进行直接的驱动。系统的加工精度、刚度以及响应速度均得到了较大提升。

1 2 3 1－电机定子； 2－电机动子； 3－工作台 图1.1 交流直线电机进给系统