直线电机垂直驱动系统在数控珩磨机中的应用研究

摘要

直线电机由于具有高速响应、高精度、高加速、高传动刚度、高效率、低噪声、大推力等优点而被应用于机床传动，在珩磨机主轴往复运动中采用直线电机驱动技术代替传统液压驱动技术，可以省去机械与液压中间传动环节，简化设备，提高珩磨机的效率和珩磨质量。本文为实现珩磨机主轴的高速高精往复运动，对永磁同步直线电机的控制进行了研究。
　　首先，从永磁同步直线电机(PMLSM)的工作原理出发，结合其在珩磨机主轴往复运动中的具体使用条件，建立了永磁同步直线电机的电磁学和动力学数学模型并对其进行了分析，得出系统参数摄动、推力波动、负载扰动等不确定因素是造成系统控制性能下降的主要因素。
　　其次，基于所建立的永磁同步直线电机的数学模型，确立了系统的运动控制策略。提出以磁场定向矢量控制和SVPWM技术为基础，在典型的三闭环控制结构中加入PID控制构成基本控制策略，通过在速度环中引入干扰观测器(DOB)对外部干扰和模型参数波动进行补偿，同时引入加速度和速度前馈补偿来提高控制系统的快速响应能力，减小响应滞后。按照由里到外的设计原则，对电流环、速度环和位置环的PID控制器进行了设计，得到了各环的数学模型，并以之为依据设计了干扰观测器和加速度、速度前馈控制器，得到整个控制系统的控制器结构和参数。
　　最后，利用SIMULINK对本文所提出的控制系统进行了仿真试验，通过对仿真结果分析，得出该控制策略有效抑制了干扰带来的波动，能准确的跟踪输入信号并达到很高的稳态精度，能够实现直线电机的高速高精度运动控制，有实际工程应用意义。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题背景及研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 珩磨加工概述

1．3．2 直线电机及其在数控机床上应用的研究现状

1．3．3 直线电机伺服控制技术的研究现状

1．4 直线电机垂直驱动系统的关键技术分析

1．5 课题的主要研究内容

第2章 永磁同步直线电机及其数学模型

2．1 引言

2．2 直线电机的基本结构、工作原理及其分类

2．2．1 直线电机的基本结构

2．2．2 直线电机的工作原理

2．2．3 直线电机的分类

2．3 珩磨机主轴往复运动中直线电机的选取

2．4 垂直运动永磁同步直线电机数学模型

2．4．1 永磁同步直线电机的坐标变换原理

2．4．2 永磁同步直线电机的d-q模型

2．4．3 永磁同步直线电机的动力学模型

2．5 本章小结

第3章 PMLSM在珩磨机主轴往复运动中的控制策略

3．1 引言

3．2 控制系统性能指标

3．3 永磁同步直线电机的矢量控制

3．4 SVPWM控制技术

3．4．1 SVPWM控制原理

3．4．2 SVPWM控制算法

3．5 永磁同步直线电机的PID控制

3．5．1 PID控制原理

3．5．2 PID控制算法

3．5．3 系统三闭环控制

3．6 基于干扰观测器的干扰抑制

3．6．1 干扰观测器原理

3．6．2 低通滤波器设计

3．7 前馈复合控制

3．7．1 前馈控制原理

3．7．2 加速度、速度前馈控制

3．8 系统总体控制结构

3．9 本章小结

第4章 控制器设计与参数计算

4．1 引言

4．2 控制系统总体数学参数模型

4．3 电流环参数设计

4．3．1 电流环的简化

4．3．2 电流调节器设计

4．4 速度环参数设计

4．4．1 速度环的简化

4．4．2 速度调节器设计

4．5 位置环参数计算

4．5．1 位置环的简化

4．5．2 位置调节器设计

4．6 基于速度信号扰动的干扰观测器设计

4．7 加速度、速度前馈控制器设计

4．8 本章小结

第5章 基于SIMULINK的系统仿真及结果分析

5．1 引言

5．2 SIMULINK简介

5．3 系统仿真模型的建立

5．3．1 坐标变换仿真模型

5．3．2 SWVPWM仿真模型

5．3．3 PMLSM电压方程仿真模型

5．3．4 PMLSM运动方程仿真模型

5．3．5 系统总体仿真模型的建立

5．4 系统仿真

5．4．1 速度环仿真

5．4．2 位置环仿真

5．4．3 干扰观测器仿真

5．4．4 前馈仿真

5．5 仿真结果分析

5．6 本章小结

总结与展望

1．全文总结

2．不足与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士研究生期间发表的论文