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无铁心永磁直线同步电机的研究

无铁心永磁直线同步电机的研究

作者：唐勇斌哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

无铁心永磁直线同步电机因其具有高速度、高加速度、精确定位等优越性能,广泛用于精密加工机床等领域。本文将围绕IC装备制造领域所面临的实际问题,开展用于扫描的高加速度高精度的宏动直线电机的研究工作。本文分析了无铁心永磁直线同... 详细信息

无铁心永磁直线同步电机因其具有高速度、高加速度、精确定位等优越性能,广泛用于精密加工机床等领域。本文将围绕IC装备制造领域所面临的实际问题,开展用于扫描的高加速度高精度的宏动直线电机的研究工作。本文分析了无铁心永磁直线同步电机的磁路结构,然后建立无铁心永磁同步电机的电磁场分析模型。推导出空载气隙磁密和推力密度的数学表达式,分析了电机的尺寸对推力、推力密度的影响。研究无铁心永磁直线同步电机主要参数的计算方法。推导出采用双层短距绕组的无铁心永磁直线同步电机槽漏抗的计算公式。然后讨论反电动势常数,研究不同的反电动势表达形式,推力常数和反电动势常数之间的关系。建立有限元分析模型,对采用常规磁体结构和Halbach磁体结构的无铁心永磁直线电机进行比较和分析;对采用整数槽绕组和绕组节距y = 1分数槽集中绕组的无铁心永磁直线电机进行比较和分析。研究无铁心永磁直线同步电机的发热和温升问题,初步设计无铁心直线电机的水冷却系统,并计算了相关的参数。根据上述分析和仿真结果,设计并研制了无铁心永磁直线同步电机的实验样机,并对其进行了实验研究。实验结果与仿真结果基本吻合,从而验证了仿真的正确性。

关键词：无铁心永磁直线同步电机空载气隙磁密槽漏抗有限元分析发热与冷却

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无铁心永磁直线同步电机鲁棒控制研究

无铁心永磁直线同步电机鲁棒控制研究

作者：刘玲沈阳工业大学

学位级别：硕士

本文以教育部博士学科点的专项科研基金项目“高速高精数控机床直线伺服电机法向力波动及最优控制策略研究”（项目批准号：20102102110001）为背景，对无铁心永磁直线同步电机控制系统进行研究。根据该被控对象自身的特点以及系统对强... 详细信息

本文以教育部博士学科点的专项科研基金项目“高速高精数控机床直线伺服电机法向力波动及最优控制策略研究”（项目批准号：20102102110001）为背景，对无铁心永磁直线同步电机控制系统进行研究。根据该被控对象自身的特点以及系统对强鲁棒性和高精度的要求，结合鲁棒控制理论，延迟补偿，非线性补偿控制等理论和方法，对系统的d-q轴耦合问题，以及易受负载扰动和参数变化等不确定性因素的问题进行研究。主要研究内容如下：针对无铁心永磁直线同步电机采用直接驱动方式，容易受到不确定性因素影响的问题，在对系统进行非线性解耦的基础上，设计了带有时间延迟补偿的鲁棒控制器。该方法应用于无铁心永磁直线同步电机系统的电流和速度回路控制上，来减少由d-q轴耦合、参数不确定性、摩擦力等干扰。所设计的鲁棒控制器相当简单，并且让系统于稳态时的输出等于输入，因此该方法不需再结合其它的控制算法。采用系统传输延迟的逆模型来补偿功率器件时延的影响。仿真结果表明，该方法能有效的抑制系统所受到的负载扰动和参数不确定性因素的影响，保证了系统对高响应和鲁棒性的要求。针对无铁心永磁直线同步电机系统含死区和饱和非线性环节，用线性系统理论和描述函数方法分析了系统的动态特性，给出了选用的PI控制器参数的极限值。这些非线性因素会使系统产生极限环，造成持续的振荡，从而导致系统不稳定。为了克服非线性对闭环系统性能的影响，确定了速度反馈误差与死区参数之间的关系，设计了一个动态的死区逆模型来修正PI控制器的输出。仿真结果表明，所设计的动态逆模型可以完全补偿非线性对系统的影响，使得伺服系统满足强鲁棒性的要求。

关键词：无铁心永磁直线同步电机鲁棒控制器时间延迟补偿非线性补偿器

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无铁心永磁直线同步电机电流鲁棒控制

电气技术 2014年第5期15卷 21-25页

作者：孙宜标刘玲沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870

针对无铁心永磁直线同步电机(ILPMSM)存在d-q轴耦合效应、易受参数不确定性的影响,为实现系统的高性能控制,提出了一个带有延迟补偿的鲁棒控制器。该控制器由一个一阶参考模型的逆模型和一个积分项组成,不需要结合其他控制算法且不要求... 详细信息

针对无铁心永磁直线同步电机(ILPMSM)存在d-q轴耦合效应、易受参数不确定性的影响,为实现系统的高性能控制,提出了一个带有延迟补偿的鲁棒控制器。该控制器由一个一阶参考模型的逆模型和一个积分项组成,不需要结合其他控制算法且不要求系统参数精确。采用系统传输延迟的逆模型来补偿系统时延的影响。与常规PI控制器相比,鲁棒控制器能很好地抑制ILPMSM系统的不确定性干扰,并对系统的传输延迟进行可靠补偿。仿真结果表明该方案有效地减少系统响应的超调,使系统具有良好的动态性能。

关键词：无铁心永磁直线同步电机延迟补偿鲁棒控制器不确定性干扰

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无铁心永磁直线同步电机结构奇异值重复控制

无铁心永磁直线同步电机结构奇异值重复控制

基于滑模的无铁心永磁直线同步电机高精密位移跟踪控制

第十届沈阳科学学术年会

作者：刘玲沈阳工业大学电气工程学院

无铁心永磁直线同步电机（ironless permanent magnet linear synchronous motor）具有零齿槽效应、速度范围宽、动态性能高等特点,但其在高精密加工过程中存在的周期性输入和周期性负载扰动会降低系统的伺服性能。为了削弱周期性扰动... 详细信息

无铁心永磁直线同步电机（ironless permanent magnet linear synchronous motor）具有零齿槽效应、速度范围宽、动态性能高等特点,但其在高精密加工过程中存在的周期性输入和周期性负载扰动会降低系统的伺服性能。为了削弱周期性扰动及参数变化不确定性的影响,本文提出将重复控制与结构奇异值（μ理论）相结合,利用线性分式变换将结构奇异值重复控制问题转换成H∞标准控制问题,采用μ-K迭代法设计结构奇异值重复控制器,实现系统的鲁棒稳定性和鲁棒性,提高系统的跟踪特性。结果表明,所提出的重复控制器比比例微分位移控制器具有较好的鲁棒性。

关键词：无铁心永磁直线同步电机结构奇异值重复控制周期性扰动

来源： cnki会议评论

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基于滑模的无铁心永磁直线同步电机高精密位移跟踪控制

作者：仲原沈阳工业大学

学位级别：硕士

本课题以国家自然科学基金(51175349)为背景,以无铁心永磁直线同步电机(Ironless Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,ILPMLSM)伺服系统为研究对象,以滑模控制(Sliding Mode Control,SMC)为基础,结合自适应控制与线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)等理论,针对高响应、高精度加工场合下变量间的非线性动态耦合问题以及ILPMLSM伺服系统的不确定性,进行ILPMLSM的位移跟踪控制研究,以满足ILPMLSM伺服系统对鲁棒性和跟踪能力的双重要求。具体研究内容如下:首先,对ILPMLSM运行原理进行了解,构建了d-q轴同步旋转坐标系下ILPMLSM动态数学模型。同时,对ILPMLSM的控制方法进行探究以及对ILPMLSM伺服系统不确定性进行分析。其次,针对ILPMLSM的机电耦合问题,在一些高响应、高精度的场合中,电气子系统和机械子系统各自的时间常数相对接近,如果简单地把ILPMLSM伺服系统静态解耦并对电气子系统和机械子系统进行独立控制,速度-电流之间的非线性动态耦合将使跟踪品质变差。为此采用自适应PID滑模控制对ILPMLSM电流-速度之间进行鲁棒动态解耦,分别针对ILPMLSM的位移以及直轴电流设计滑模面,利用自适应PID滑模控制迫使位移与直轴电流分别跟踪各自给定值,使系统拥有良好的鲁棒跟踪能力。通过利用MATLAB/Simulink对所设计的控制系统进行建模与仿真,在不同的工况下,与PID控制进行对比,仿真结果验证所采用控制策略的可行性和正确性。最后,为了进一步提升系统性能并且简化控制参数求解,提出将电气子系统和机械子系统作为整体进行控制,利用滑模控制设计集总控制器,使得ILPMLSM位移、速度和交、直轴电流严格跟踪给定值或期望值,从Lyapunov稳定性定理出发将复杂的控制问题转化成LMI问题,利用MATLAB LMI工具箱求解出滑模控制的等效控制律。同时设计扩张滑模观测器(Extended Sliding Model Observer,ESMO)对负载扰动进行鲁棒观测进一步提升系统性能。通过利用MATLAB/Simulink对所设计的控制系统进行建模与仿真,在不同的工况下,与之前采用的自适应PID滑模控制进行对比,仿真结果验证所采用控制策略的优越性。

关键词：无铁心永磁直线同步电机位移跟踪滑模控制自适应控制线性矩阵不等式

Halbach次级结构无铁心永磁直线同步电机的研究

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Halbach次级结构无铁心永磁直线同步电机的研究

作者：赵斌超哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

无铁心永磁直线同步电机具有推力波动小、定位精度高、动态性能好等优点，在精密机床加工等领域有广泛地应用。本文提出了一种双层Halbach次级结构的无铁心永磁直线同步电机，主要进行了以下几个方面的研究：首先，建立了双层Halbac... 详细信息

无铁心永磁直线同步电机具有推力波动小、定位精度高、动态性能好等优点，在精密机床加工等领域有广泛地应用。本文提出了一种双层Halbach次级结构的无铁心永磁直线同步电机，主要进行了以下几个方面的研究：首先，建立了双层Halbach次级结构无铁心永磁直线同步电机物理模型并用解析法进行了分析。根据等效磁化强度法，推导出了气隙磁密表达式，分析了电机参数变化对气隙磁密的影响。推导出了电机空载反电势和电磁推力的表达式，为后续电机设计和优化提供了理论依据。其次，借助于有限元仿真软件Ansoft Maxwell2D优化了双层Halbach永磁体阵列尺寸参数，并从便于永磁体加工与安装的角度对优化得到的双层Halbach永磁体阵列进行了改进和进一步优化。研究了Halbach次级结构无铁心永磁直线同步电机的设计方法，给出了主要设计流程，推导出无铁心永磁直线同步电机主要尺寸的确定方法，确定了初级绕组、次级永磁体阵列以及电机其他部分尺寸参数。最终，分析了Halbach次级结构无铁心永磁直线同步电机的基本特性，根据优化设计得到的最终结构参数，加工了一台样机并进行了相关测试，测试结果验证了电机设计的合理性。

关键词：无铁心永磁直线同步电机双层Halbach永磁体阵列解析法有限元仿真

面向电磁弹射器的无铁心永磁直线电机及其控制方法研究

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面向电磁弹射器的无铁心永磁直线电机及其控制方法研究

作者：宋益明哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

电磁弹射器是随着现代海洋军事的发展而出现的一种应用于航母舰载机弹射起飞的装备,它的主体是一台大功率直线电机。随着永磁直线同步电机的快速发展,其在电磁弹射器上得到了越来越广泛的应用。而我国对电磁弹射器相关技术的研究才刚刚... 详细信息

电磁弹射器是随着现代海洋军事的发展而出现的一种应用于航母舰载机弹射起飞的装备,它的主体是一台大功率直线电机。随着永磁直线同步电机的快速发展,其在电磁弹射器上得到了越来越广泛的应用。而我国对电磁弹射器相关技术的研究才刚刚起步,本文针对电磁弹射器的直线电机及控制方法展开理论研究,这对未来电磁弹射器驱动系统的开发具有重要意义。电磁弹射器的发展现状表明,目前对电磁弹射器的直线电机研究主要是围绕有铁心永磁直线同步电机展开的。这种结构的不足主要体现在高速作业阶段直线电机的运行效率低。针对此问题,本文构建了一种在低速段和高速段分别采用有铁心和无铁心永磁直线同步电机组合的电磁弹射器直线电机总体结构。为降低电机设计制造难度,基于模块化思想提出对小功率单元无铁心永磁直线同步电机进行研究。首先,选择了适合于模块化设计的绕组方案。利用解析法对电机的气隙磁场进行分析,并推导了其在矢量控制下的推力模型。然后,分析电机动子极距对电磁推力的影响规律,确定了电机的动子极距方案。基于有限元法,利用仿真软件对无铁心永磁直线同步电机的电磁场进行分析,研究了不同电磁结构参数对电机电磁推力特性的影响规律。同时,还以推力大、波动小为优化目标对电机的结构参数进行了选择。并在此基础上,对直线电机的气隙磁场进行动态仿真分析,研究了无铁心永磁直线同步电机气隙磁场的分布特点。针对电磁弹射器的特殊应用场合,本文还对直线电机的自律分散控制方法进行了研究。建立了这种控制方式下的电机数学模型。在此基础上,建立了直线电机的解耦控制模型并对自律分散控制器的电流环进行了设计。最后,对绕组某些模块开路故障后进行了电流补偿分析,并进行了仿真实验。保证了开路故障前后的定子总磁动势不变,进而保持故障前后的推力恒定。

关键词：电磁弹射器无铁心永磁直线同步电机有限元法自律分散控制电流补偿

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慢刀伺服系统鲁棒重复控制策略研究

慢刀伺服系统鲁棒重复控制策略研究

作者：巩星宇沈阳工业大学

学位级别：硕士

本课题以无铁心永磁直线同步电机（Ironless Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,ILPMLSM）驱动的慢刀伺服系统（Slow Tool Servo,STS）为研究对象,以重复控制策略为理论基础,并结合线性矩阵不等式（Linear Matrix Inequality,LMI）、线性分式变换以及高阶重复控制等理论,针对高精度加工场合下慢刀伺服系统中存在的参数摄动等不确定性影响系统性能的问题,进行慢刀伺服系统的位移跟踪控制研究,以满足慢刀伺服系统对于鲁棒性和跟踪性能的双重要求。主要研究内容包括如下几个部分:首先,对慢刀伺服系统的基本结构和运行原理进行学习与分析,给出了慢刀伺服系统的数学模型。其次,直线电机伺服系统在超精密加工机床慢刀伺服应用中,要求系统既要对周期性输入指令具有较好的跟踪能力,又要对于系统参数变化等不确定性具有一定的抑制能力。针对这一问题,采用一种基于线性矩阵不等式（LMI）的鲁棒重复控制策略。本文采用的鲁棒重复控制策略是由Lyapunov-Krasovskii理论推导出的一种基于LMI的静态反馈控制律,可以保证系统的鲁棒性能以及跟踪能力。利用MATLAB/Simulink对慢刀伺服系统进行建模仿真,且在不同工况下与重复控制进行对比,仿真结果验证了所采用控制策略的可行性和有效性。最后,慢刀伺服系统的输入指令一般为周期性的,系统在跟踪周期性输入指令时存在因系统参数摄动等干扰因素导致鲁棒性能和跟踪性能不佳的问题。为了提高系统的鲁棒性以及跟踪性能,引入了高阶重复控制策略。这种高阶重复控制策略采用了一种系统的、基于半定规划的高阶重复控制器计算方法,能够在鲁棒性与稳定性两个性能之间产生一个最佳的权衡,进而提高系统的鲁棒性能和跟踪性能。仿真结果表明,该策略可以有效跟踪慢刀伺服系统的周期性输入信号和抑制参数摄动的干扰。

关键词：无铁心永磁直线同步电机慢刀伺服系统鲁棒重复控制线性矩阵不等式高阶重复控制

直线电机驱动快速刀具伺服系统的鲁棒跟踪控制

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直线电机驱动快速刀具伺服系统的鲁棒跟踪控制

作者：李岩沈阳工业大学

学位级别：硕士

超精密加工零件(如光学自由曲面、微结构功能表面零件等)因特殊的优质性能,在先进工业制造、航空航天、天文观测等高科技领域有着广泛的应用需求,而基于快速刀具伺服系统(FTS)的金刚石车削加工技术因其精密、高效、低成本的加工特点,成... 详细信息

超精密加工零件(如光学自由曲面、微结构功能表面零件等)因特殊的优质性能,在先进工业制造、航空航天、天文观测等高科技领域有着广泛的应用需求,而基于快速刀具伺服系统(FTS)的金刚石车削加工技术因其精密、高效、低成本的加工特点,成为加工超精密零件的较有潜力技术。FTS技术应用的关键是设计出具有高频响、高精度以及良好信号跟踪性能的系统。从FTS系统的设计分析出发,研究影响FTS系统性能的关键因素和优化系统设计的方法。通过对比分析,本文以无铁心永磁直线同步电机(ILPMLSM)作为FTS系统的执行机构,进行高频响给定信号下的控制策略研究。主要研究工作如下:首先,通过查阅大量国内外有关FTS的文献,掌握FTS的国内外研究、发展现状,了解FTS的驱动方式和控制算法。在此基础上,构建FTS的执行机构ILPMLSM的数学模型。其次,分析FTS系统在实际加工中存在的参数变化、摩擦力扰动、切削力扰动等不确定性扰动,在此基础上,采用定量反馈理论(QFT)设计鲁棒控制器,提高系统的鲁棒性。同时,本文采用H控制方法来代替QFT设计中繁琐的作图求解方法,使设计过程简单化。在理论设计基础上,通过Matlab/Simulink对所设计的控制系统进行建模与仿真,分析结果表明,该控制策略有效的抑制了不确定性扰动对FTS系统性能的影响,提高了系统的鲁棒性。最后,为实现FTS系统对鲁棒性能和跟踪性能的双重高要求,本文将QFT/H分别与零相位误差跟踪控制器(ZPETC)、零振幅误差跟踪控制器(ZMETC)相结合设计鲁棒跟踪控制器,同时加入干扰观测器(DOB),以进一步补偿外部扰动对系统的影响,提高系统鲁棒性。在理论设计的基础上,通过Matlab/Simulink对所设计的控制系统进行建模与仿真,并将两种控制策略的仿真结果进行比较。结果表明,所设计的FTS系统具有优越的跟踪性能与鲁棒性能。

关键词：快速刀具伺服系统无铁心永磁直线同步电机定量反馈理论零相位误差跟踪控制零振幅误差跟踪控制