永磁同步直线电机伺服控制关键技术研究与实现

作     者：查长礼 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖曙红

授予年度：2008年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：永磁直线同步电机 绝对式光栅尺 伺服控制 PI调节器 

摘      要：在许多工业控制领域中,被控对象的运动路径往往是直线形式。直线电机能“直接获得直线运动,省去中间的变换环节,给被控对象提供直线运动形式的推力,以获得单向或双向的有限可控位移,并且具有长行程、低惯量、高精度、快响应和高速度等特征。本文在深入探讨国内外有关直线电机的研究与应用的基础上,提出了基于绝对式光栅尺的永磁同步直线电机伺服控制关键技术研究与软硬件实现这一课题。 直线电机从结构上可看成由旋转电机沿轴线剖开、展平而成。工作原理上与旋转电机也是相似,可认为永磁同步直线电机和永磁同步旋转电机都是由绕组电流变化产生气隙磁场,两者的差异是:永磁同步直线电机的气隙磁场是沿直线方向平移,而旋转电机的气隙磁场是以旋转方式工作。该磁场与永磁体的励磁磁场相互作用产生电磁推力。由于直线电机存在这些固有的结构特点和工作特性,产生了诸多如气隙磁密波形非正弦性、齿槽效应、端部效应等影响永磁同步直线电机推力波动的因素。因此,在构建伺服控制系统时应考虑这些影响因素,并加以补偿来提高直线电机运动特性。 本文首先对永磁同步直线电机的国内外研究现状、结构与工作原理进行了分析,然后采用有限元方法分析了永磁同步直线电机实验样机动子的三相绕组电磁力、端部效应与齿槽力,提出了改进与优化电机结构的措施,以消除和抑制谐波推力对伺服控制系统稳定性的影响,为伺服控制系统中受到的扰动力进行在线补偿提供依据。 其次,在对永磁同步直线电机特性分析的基础上,建立永磁同步直线电机的数学模型,对直线电机的伺服控制策略进行了分析与研究。对于伺服控制系统的实现,本文从硬件与软件两个方面作了详细的阐述。在硬件方面,本文采用了具有强大计算能力、外设集成度更高以及更快A/D转换速度的数字信号处理器(DSP)和低功耗、高性能、低成本以及高可靠性的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)构建伺服控制器的核心部件;软件方面,本文使用CCS2.0与QuartusⅡ编程环境结合使用C与VHDL语言实现软件编程,并给出了部分主程序及程序编写流程图。 最后,运用MATLAB/Simulink平台搭建了伺服控制器的仿真模型,对本项目构建的大推力永磁同步直线电机的性能进行了仿真分析和现场调试试验,根据仿真和试验结果,提出了存在的问题并给出了改进的建议。