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磁通反向永磁振镜电机设计与分析

磁通反向永磁振镜电机设计与分析

作者：刘洋江苏大学

学位级别：硕士

激光加工系统凭借高效、高质量、易实现自动化等优点,受到汽车、半导体、航空航天等领域广泛应用。振镜电机是激光加工系统的关键部件,对系统的整体性能起决定性作用。为改善激光加工系统运行的准确性和快速性,通常对振镜电机的响应速... 详细信息

激光加工系统凭借高效、高质量、易实现自动化等优点,受到汽车、半导体、航空航天等领域广泛应用。振镜电机是激光加工系统的关键部件,对系统的整体性能起决定性作用。为改善激光加工系统运行的准确性和快速性,通常对振镜电机的响应速度和转矩等动静态性能提出更高要求。目前,具代表性振镜电机产品以无齿槽永磁电机为主,存在转矩密度较小、电阻与电感较大和安装工艺复杂等问题。本文提出了一种具有不等定子齿宽的磁通反向永磁（Flux reversal permanent magnet,FRPM）振镜电机,并利用灰色关联-Taguchi法进行了多目标优化,增大了转矩密度,减小了电感和电阻,提高了电机的动态性能。论文的具体工作和创新性包括:1.结合激光加工系统的工作性能要求和FRPM电机、振镜电机的发展现状,提出了一种FRPM振镜电机,并对电机结构和运行原理进行了阐述和分析。2.基于永磁体磁动势-气隙磁导模型,推导了FRPM振镜电机的基本方程,并以CTI公司的振镜电机8330K为参考,根据电机设计基本理论对FRPM振镜电机进行了初步计算,确定了主要尺寸。3.为提高电机系统的静态和动态性能,选定平均转矩、齿槽转矩、转矩变化率和电感为设计目标;基于优化因子对设计目标的敏感度,选定大定子齿θ、小定子齿θ、转子齿宽θ和槽肩宽度b为优化因子,采用灰色关联-Taguchi法对提出的FRPM振镜电机进行多目标优化,进而得到最优参数组合。4.基于有限元软件对设计的FRPM振镜电机及对比电机的性能参数进行了计算和分析;推导了振镜电机的传递函数,对振镜电机的动态性能进行了对比分析;完成电机温度场的仿真计算,验证了所提出电机的优越性和优化设计方法的有效性。5.基于最优参数加工了一台4/4极FRPM振镜电机台样机,搭建了实验平台,对样机进行了测试,将测试结果与仿真结果进行对比分析,从而验证了理论分析和有限元计算的正确性。

关键词：振镜电机磁通反向永磁电机电磁分析灰色关联-田口法多目标优化

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振镜电机系统高性能数模混合驱动控制方法

北京航空航天大学学报 2024年第10期50卷 3208-3218页

作者：赵家康郭宏徐金全北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

为满足振镜电机系统高精度和高动态性能的控制需求,提出数模混合架构和扩张状态观测器(ESO)-滑模控制(SMC)复合的高性能驱动控制方法。采用基于数字式控制器和模拟式驱动器的数模混合架构设计,一方面便于实现高性能的非线性控制算法,另... 详细信息

为满足振镜电机系统高精度和高动态性能的控制需求,提出数模混合架构和扩张状态观测器(ESO)-滑模控制(SMC)复合的高性能驱动控制方法。采用基于数字式控制器和模拟式驱动器的数模混合架构设计,一方面便于实现高性能的非线性控制算法,另一方面能够消除数字式驱动器中脉冲宽度调制(PWM)技术导致的高频电流纹波。基于ESO和SMC复合的振镜电机位置环控制方法,通过ESO估计系统的各种扰动,利用SMC实时消除扰动影响,显著地提升了振镜电机系统的动态性能和鲁棒性。仿真和实验结果表明:相较于比例-积分-微分(PID)控制器,所提方法能够有效地提升系统的鲁棒性和动态响应性能,其中动态响应性能提升了29.4%。

关键词：振镜电机滑模控制扩张状态观测器高动态性能运算放大器跟踪微分器

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某型高精度激光扫描光栅电机的设计与验证

自动化与仪器仪表 2024年第7期 66-69页

作者：孙健江苏金海创科技有限公司江苏镇江212000

高精度激光扫描光栅电机的细分系统多数采用的是细分芯片的方案,具有可替代性差,细分精度不高的问题;同时目前国内振镜电机产品中很少有直接使用自主细分方案的光栅电机,因此,本设计基于金海创公司某型扫描电机重新设计了适配圆光栅传... 详细信息

高精度激光扫描光栅电机的细分系统多数采用的是细分芯片的方案,具有可替代性差,细分精度不高的问题;同时目前国内振镜电机产品中很少有直接使用自主细分方案的光栅电机,因此,本设计基于金海创公司某型扫描电机重新设计了适配圆光栅传感器的电机,细化了传感器的安装方案;自主设计了光栅传感器的调理采集电路,并利用CPLD技术来实现传感器信号的采集及电子细分,在电子细分算法中,区分粗细分与精细分过程,通过构造正切函数的数据表来快速查询光栅位置,实现了单周期4 096倍电子细分的能力;最后设计了高精度角度步进平台上机采集系统,使用测试平台对所设计的光栅电机进行实际测试,测试结果达到了预计目标,具有很好的实用开发价值。

关键词：振镜电机光栅传感器电子细分 CPLD 角度测试平台

电调谐双腔双频Nd：YAG激光器设计及实验研究

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电调谐双腔双频Nd：YAG激光器设计及实验研究

作者：高俊杰西安理工大学

学位级别：硕士

在合成波绝对距离干涉测量中,双频激光技术有着不可替代的地位。双频激光器的频差越小,相应的合成波长越大,对绝对距离的粗测要求越低,但此时绝对距离测量精度越低;相反,双频激光器的频差越大,相应的合成波长越小,绝对距离测量精度越高... 详细信息

在合成波绝对距离干涉测量中,双频激光技术有着不可替代的地位。双频激光器的频差越小,相应的合成波长越大,对绝对距离的粗测要求越低,但此时绝对距离测量精度越低;相反,双频激光器的频差越大,相应的合成波长越小,绝对距离测量精度越高,但此时对绝对距离的粗测要求就变高。所以,大频差可调谐双频激光器可作为合成波绝对距离于涉测量系统的理想光源使用。与He-Ne激光器相比,以Nd:YAG作为激光工作物质的固体激光器其振荡线宽宽的多,其产生的激光输出拥有更大的频差。因此对大频差可调谐双频Nd:YAG激光技术的深入研究,对促进合成波绝对距离干涉测量技术进步具有极其重要的意义。本论文采用F-P标准具选模方法,设计并研究了 LD泵浦双腔双频Nd:YAG激光器,该激光器能输出1064 nm正交偏振双频激光。为了调谐频差,设计了基于振镜电机的腔内F-P标准具转角电控装置,通过调节振镜电机的直流电压可以改变F-P标准具的倾斜角度,从而实现双频激光频率和频差电控调谐。本文的主要研究内容可以概括为以下几个部分:第一,介绍了双频激光技术的研究背景及意义,综述了双频激光技术国内外研究现状,确定了本论文的研究目的及主要内容。第二,从F-P标准具选模原理出发,对腔内F-P标准具的厚度和反射率进行计算和设计,并以此为基础仿真分析了该F-P标准具的单纵模选择、频率调谐和频差调谐特性。第三,实验研究了电控调谐单腔单频Nd:YAG激光器的主要工作特性。当LD泵浦功率为4.2 W时,输出单频线偏振激光功率为254.8 mW;单腔输出激光频率可通过改变电机的电压进行调谐,频率调谐范围为0到135.33GHz。第四,实验研究了频差电控调谐双腔双频Nd:YAG激光器的主要工作特性。当LD泵浦功率为4 W时,获得了 1064 nm正交线偏振双腔双频激光,直线腔和直角腔的输出激光同时振荡时,其输出功率分别为43.7 mW和40.2mW;通过改变振镜电机的电压,可对双频激光频差调谐进行调谐,调谐范围为7.417 GHz～91.397 GHz。综上所述,本论文设计了基于振镜电机的双腔双频Nd:YAG激光器频差电控调谐方案,并实验验证了该方案的可行性,为双频激光器频差调谐提供了一种新方法。

关键词：双腔双频Nd:YAG激光器 F-P标准具频差电控调谐振镜电机

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红外热成像系统中高速扫描器的伺服控制设计

激光与红外 2014年第6期44卷 672-675页

作者：李凌杰陈菲菲易文轩华北光电技术研究所北京100015

为了在扫描型红外热成像系统中摆脱对于进口高速扫描器的依赖,同时达到降低成本、提高集成性的目的,通过采用具有动磁式光电角度检测功能的振镜以及PID+Double-Loop Feedback(双闭环反馈)扫描控制伺服系统的信号电路设计,实现了红外热... 详细信息

为了在扫描型红外热成像系统中摆脱对于进口高速扫描器的依赖,同时达到降低成本、提高集成性的目的,通过采用具有动磁式光电角度检测功能的振镜以及PID+Double-Loop Feedback(双闭环反馈)扫描控制伺服系统的信号电路设计,实现了红外热成像系统中高速扫描器的国产化研制,通过对比实验和实效验证,国产化组件性能与进口组件相当,达到了较高的设计要求。

关键词：振镜电机伺服控制红外热成像

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基于改进陷波器的激光振镜高频振动抑制研究

组合机床与自动化加工技术 2020年第10期 35-39页

作者：徐友洪徐峰徐建亮衢州职业技术学院信息工程学院浙江衢州324000 吉林大学通信工程学院长春130012

文章提出一种改进陷波器来抑制激光振镜电机摆动时扭力共振频率所产生的振动与噪音。首先,通过精心设计的实验,分析振镜电机共振频率,建立振镜电机扭力共振频率频谱图,进而设计出抑制共振频率的陷波滤波器电路;其次,通过严格的数学分析... 详细信息

文章提出一种改进陷波器来抑制激光振镜电机摆动时扭力共振频率所产生的振动与噪音。首先,通过精心设计的实验,分析振镜电机共振频率,建立振镜电机扭力共振频率频谱图,进而设计出抑制共振频率的陷波滤波器电路;其次,通过严格的数学分析与理论推导,计算出最佳电路参数,利用Orcad PSpice与Matlab进行仿真验证电路参数,实现了数字陷波器的优化设计,并将实体电路加入激光振镜电机驱动器回路内。设计两级级联陷波滤波器,通过可变电阻可以方便地调节滤波频率和衰减深度的参数,以抑制一阶和二阶扭转共振。实验结果表明,该陷波器的Matlab仿真结果和计算分析结论一致,级联陷波器能有效地抑制振镜电机运转时的扭转共振,提高激光振镜扫描系统的精度和稳定性。

关键词：陷波器振镜电机振动抑制频谱分析

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五轴激光内雕控制系统的设计

电气自动化 2008年第5期30卷 14-15,21页

作者：江卫华文小玲武汉工程大学电气信息学院湖北武汉430073

针对频繁起停,要求快速准确定位的激光内雕机,自主设计了一种能高速运行的数控装置。其核心是以 PC 机和 DSP 组成控制系统,将振镜电机和步进电机有效组合,组成五轴伺服传动,满足运动轴高速高精的控制要求。文章详述了激光内雕系统的构... 详细信息

针对频繁起停,要求快速准确定位的激光内雕机,自主设计了一种能高速运行的数控装置。其核心是以 PC 机和 DSP 组成控制系统,将振镜电机和步进电机有效组合,组成五轴伺服传动,满足运动轴高速高精的控制要求。文章详述了激光内雕系统的构成,工作原理和各部分接口的实现。

关键词：定位振镜电机步进电机接口

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振镜伺服系统带宽提升方法研究

电气传动 2022年第14期52卷 3-8页

作者：高宇杰张承瑞丁信忠李虎修陈攀山东大学机械工程学院山东济南250061 山东大学高效与洁净机械制造教育部重点实验室山东济南250061 上海新时达电气股份有限公司上海201800

激光振镜系统中一般要求电机需满足2°/200 Hz高频响应,传统PID控制方法难以满足小惯量、低幅值、高频率的电机控制要求。因此,为提高位置环、电流环带宽及系统响应速度,研究和应用了多采样更新策略、电流预测控制算法、基于多采样死区... 详细信息

激光振镜系统中一般要求电机需满足2°/200 Hz高频响应,传统PID控制方法难以满足小惯量、低幅值、高频率的电机控制要求。因此,为提高位置环、电流环带宽及系统响应速度,研究和应用了多采样更新策略、电流预测控制算法、基于多采样死区补偿算法,多种控制方式融合并应用于定制永磁同步电机,在振镜伺服系统中实现200 Hz位置环的低幅值高频正弦振动。提出的前后向差分方法实现电流预测控制算法和基于多采样死区补偿算法过程重合,未明显增加计算量。所提方法在Matlab/Simulink中验证了可行性和正确性,并搭建实验平台验证了该方法的有效性,取得良好的控制效果,对于伺服系统的高频响应应用具有借鉴意义。

关键词：振镜电机多采样电流预测控制死区补偿

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控制局域网络多路数字化振镜控制系统设计

西安工程大学学报 2015年第4期29卷 426-430,441页

作者：高燚卫建华邓云兵西安工程大学电子信息学院陕西西安710048

针对传统振镜控制系统采用放大器实现电流—速度—位置三环控制,具有电路复杂、通信效率低等缺点,给出了一种控制局域网络(CAN)多路数字化振镜控制系统的设计方案.首先基于数字化振镜原理,建立振镜电机Simulink数字模型,然后通过分析振... 详细信息

针对传统振镜控制系统采用放大器实现电流—速度—位置三环控制,具有电路复杂、通信效率低等缺点,给出了一种控制局域网络(CAN)多路数字化振镜控制系统的设计方案.首先基于数字化振镜原理,建立振镜电机Simulink数字模型,然后通过分析振镜控制系统,设计振镜电机的闭环控制系统,随后给出了基于CAN数据总线的通信协议及控制系统的软件流程,实现了多路数字化振镜控制系统.

关键词： CAN总线振镜电机闭环控制 Simulink建模与仿真