永磁直线电机驱动控制系统设计

论文总字数：22645字

摘 要

永磁直线电机作为一款新型电机可以有效的利用电能作直线运动。本文选择双边型扁平永磁直线电机作为研究对象，首先分析了永磁直线电机的工作原理以及基本结构，将直线电机的研究从abc坐标系转化到dq坐标系，首先建立abc坐标系下直线电机的电压、磁链以及推力平衡方程，然后在对应的于dq坐标系中构建相应的方程。这些平衡方程的建立可以为直线电机仿真模型的构造奠定基础，利用这些平衡方程可以有效推理出PMLSM的数学模型；详细介绍了空间电压矢量控制的原理分析了该控制方法的可行性，选择空间电压矢量控制来进行电机的驱动控制并选择了合适的控制策略来控制电机；利用matlab软件对电机进行驱动仿真所使用的模块为simulink。

不同于传统电机，它不需要借助于其他转换装置，它的传输效率高、可调范围宽、损耗较低等优点。传统机床的进给方式利用的是旋转电机来驱动，然后在经过滚动丝杠来转化为直线运动。而如果直接使用直线电机那么我们就可以直接省略作为机械转换环节的滚动丝杠的部分，如此便有效消除了两个物理极限：一个是速度，另一个是加速度。这两个物理极限的消除可以使得直线电机在高精密以及高速加工行业得到更广泛的应用前景。直线电机随着现代工业的发展其控制精度、可调范围都得到了很大的提高，因此，直线电机如今的商业以及工业价值也相应提高。对于直线电机进行驱动控制仿真可以为接下来的实际应用研究找寻更为合适的控制方法，可以有效减少研发的时间以及困难程度。

关键字：永磁直线电机　　驱动控制　　Ｍａｔｌａｂ／Simulink SVPWM

ABSTRACT

　Permanent magnet linear motor as a new motor can effectively utilize energy in a straight line. The article chooses bilateral permanent magnet linear motor as the research object, analyzes the working principle of permanent magnet linear motor as well as the basic structure.We study the linear motor from abc coordinates transformed into dq coordinate system, and first established under the abc coordinate linear motor voltage, flux and thrust balance equation, and then construct the corresponding equations corresponding to the dq coordinate system. The establishment of these equilibrium equations can be laid for the construction of linear motor simulation model based on the use of these balance equations ; Then we analyzes the details of space voltage vector control principle and the feasibility of the control method, we also select voltage vector control for motor drive control and the appropriate control strategies to control the motor; using simulink in matlab module for motor drive control simulation.

Different from traditional motor, it does not need the aid of other conversion device, so the transmission efficiency is high, adjusting range is wide,and the loss is low. With the traditional use of rotary motor and ball screw to convert linear motion feed compared, permanent magnetic linear synchronous motor direct feeding mode because of omitting the mechanical conversion mechanism, which will be advantage to eliminate the physical limits of mechanical transmission components of velocity and acceleration, which makes permanent magnet linear motor popular in high speed and high precision machining equipment, by the widespread concern. With the development of modern industrial control accuracy and adjustable range of linear motor have been greatly improved, therefore, now the linear motor’s commercial and industrial value also increased accordingly. For linear motor ,drive control simulation can find more appropriate control methods for the practical application of the next, it can effectively reduce the time and difficulty of research and development.

Keywords: 　Permanent magnet linear motor　　Drive control　 Matlab／Simulink SVPWM

目录

摘要 II

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2直线电机的发展概况 2

1.2.1 直线电机的发展与历史 2

1.2.2 直线电机国内发展概况 4

1.3 本文主要内容与结构 5

1.3.1 研究内容 5

1.3.2 论文结构 6

第二章 永磁直线电机的静态特性以及数学模型 6

2.1直线电机的工作原理 7

2.2 永磁直线电机的静态特性分析 8

2.2 PMLSM的数学模型 10

2.2.1 矢量控制坐标变换 10

2.2.2 abc坐标系以及dq坐标系下的电机模型 12

2.3 本章小结 15

第三章 永磁同步直线电机的控制理论以及控制策略 17

3.1 SVPWM控制原理 17

3.2 永磁同步直线电机的控制策略 20

3.3 PI控制器的作用 21

3.4 本章小结 21

第四章 PMLSM的SVPWM控制仿真模型 22

4.1 永磁直线电机的仿真模块 22

4.2 SVPWM模块 24

4.3 SVPWM控制的PMLSM的仿真图 27

4.4　本章小结 28

第五章 仿真结果及分析 29

第六章 总结 31

致谢 32

参考文献 33

1. 绪论

1.1课题研究的背景和意义

在过去的数控机床的进给系统中，采用旋转电机驱动而后再由滚珠丝杠来转换运动方式的方法被广泛采用，因此电机需要通过一系列的转换模块与负载相连接，这些转换模块包括齿轮、滚珠丝杠等中间机械部件的传动装置。当然这种系统存在着一系列的缺点：在加工精度上它的机械噪声很大，传动效率很低，损耗非常严重，这些都严重影响着加工精度的提高；再者传统方式中的种种非线性因素严重影响着系统的稳定性的提高，这也就使得全闭环的稳定机械控制结构难以实现；最后在传动过程中丝杆间的惯性、摩擦力、刚性和反向间隙的不足，这些因素可能会约束机床平台的速度、位移行程以及加速度。

由于上述种种因素的存在使得机械加工的精度受到了严重的影响，直线电机驱动下的直接进给方式便应运而生，电机次级直接与负载相连的部分即为它的输出部件，如此也就产生了相较于传统方式的一系列优点。下面我们逐一说明：

（1）首先它的速度特性将会有显著改善，具体表现在其速度偏差可以达到0．01％以下；

（2）加速度也会增大。直线电机的加工速度理论上甚至可以达到300多，这已经大大超过了传统加工速度。因为传统机床的加工速度一般都很小，不会超过19大多数为0.39。目前使用的直线电机加工机床的加工速度可以达到3.246，随着技术的进步，这个数值会一步一步慢慢的增大，当然也可以是快速增大，比如说如果采用激光加工技术那么它的加工速度会达到59；

（3）加工的行程不会受到限制。传统机床受到加工工艺影响，如果需要延长加工行程那么就需要人为的接更长一点的丝杠，即使这样操作它的性能仍然不理想；如果应用直线电机那么它的初级在理论上将是可以延长很多的甚至从理论上来讲是无限延长的，而且直线电机制造起来更加简单。

（4）直线驱动的定位精度更高。若采用光栅闭环控制那么控制精度可以显著提高，其驱动定位精度可以达到0.01-0.1。前馈控制的使用可以大幅度的削弱跟踪误差，理论上将可以超过200倍。

（5）进给范围宽。

（6）结构简单、噪声较小、各运动部件的摩擦较小、使用寿命较长、动态响应性能好、安全可靠，因此被称之为“零传动”。

直线电机进给系统也存在着成本高昂、对于各种干扰以及负载变化较为敏感、各种性能指标不稳定等缺点。这些缺点的存在并不足以阻碍它在高精度、非常规尺寸、高切削速度等精密加工的场合大放异彩，直线电机的发展对于机床的变革起到了极大地促进作用，因此研究直线电机具有广阔的商业前景。

直线电机的原理大致与传统旋转电机是相同的，控制策略的选取我们也不由倾向于矢量控制。但是直线电机本身采用的是直接驱动，这使得电即本身更容易受到外界的干扰，而传统PID控制显然无法彻底消除外界对于电机的影响，因此我们需要考虑一下合适的控制策略。目前直线交流伺服系统中的控制策略主要是一下几种：传统控制策略、现代控制策略以及智能控制策略。

1.2直线电机的发展概况

1.2.1 直线电机的发展与历史

直线电机从刚刚制作出来到现在已经有160多年，1840年惠斯登制作了人类史上第一架直线电机，但没有成功运行，或者说它只是理论上的直线电机。对于直线电机而言它的发展主要包含探索阶段、开发应用阶段、实用商品化阶段这三个阶段。

探索实验阶段（1840-1955年）

在这个阶段里直线电机的开发主要经历了从设想到实验再到部分应用的过程，这一期间可以说了一个屡败屡战的过程。在惠斯登提出和制作了直线电机后，美国匹兹堡市市长最早撰写了有关直线电机的文章，在他的文章中他很明显的阐述了直线电机以及它的专利。但是受到那段时期制造技术、工程材料和控制技术的限制，纵然经过了20多年的辛苦努力，直线电机仍然无法取得成功。

1905年有2个人想到直线电机是否可以应用于直线电机的驱动呢？一个就想将初级放在火车上并设置于底部，而另一个则建议放在轨道上。这些建议无疑是研究人员的一种兴奋剂，使得许多国家的研究人员投入研究直线电机领域。1917年第一个圆筒型直线电机产生，事实上这是一个改变初级线圈的直流磁阻电机，人们却想到把它作为一个导弹发射器，但它的发展却很遗憾的从未超越过模型。1930—1940这十年间直线电机迈入了实验室，有着更多的科学家对其进行了研究。大量的实验为人类带来了足够多的实验数据，借助这些数据，人类对于已经得到的有关直线电机的理论有了更加深入的了解，这对于直线电机进一步的进入实用阶段有着重要的意义。

1940一1955年期间部分发达国家由于有着更充足的财力支撑直线电机的研究，因此他们对于直线电机的理解相对其他国家更加深入，他们在这些深入理解上做了一些应用性试验。其间在1945年美国西屋电气研发出的飞机弹射器将一架4535kg重的飞机仅仅行驶了165米的路程，该飞机便加速到了188km/h，令人感到兴奋的是该弹射器用的便是直线电动机驱动。该项试验使得直线电机收获了它应有的重视，这自然来源于直线电机各种优点，其中便有高可靠性。之后在核应用方面直线电机应用于汲取钠、钾的电磁泵，这项研究促进了核工业的发展。英国公司成功的于1954年将双边扁平型直流直线电机制成应用于导弹发射，导弹的速度甚至可以达到1600km/h。在这一期间自然在民用方面直线电机也有它的一席之地，直线电机在高速列车的应用得到了大多数国家的重视并付诸于实验研发。

在1840-1955年间，直线电机与旋转电机互相激烈的竞争着，这一时期对于直线电机而言是探索和部分应用时期。但是直线电机的成本与效率问题使得它并不能战胜旋转电机，或者更为直观一点的说直线电机并不能像旋转电机一样，有一个让它专门解决问题的领域。还有一点就是直线电机在设计方面也没有取得进步，种种这些使得直线电机在这一段时间里并未得到实质性应用。

开发应用阶段（1956-1970年）

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