基于Halbach阵列的直线电机执行器及其控制系统的研究

摘要

本文主要研究基于Halbach阵列的直线电机及其控制系统，该项工作是国家自然科研基金项目“基于Halbach永磁阵列的高精度平面电机”的子课题。直线电机是平面电机基本的运动执行单元，因此称其为“直线电机执行器”（以下简称“直线电机”）。本直线电机的研究是主课题的主要工作之一。 本文首先介绍了直线电机和Halbach永磁阵列的特点和发展现状；而后介绍了主课题的平面电机以及本文直线电机的结构，并阐明了两者间的关系；然后引入直线电机的电磁理论，并分析直线电机的动力学模型，由此提出了一套基于PID算法的控制策略。 本文着重介绍了如何用控制系统实现文中提出的控制策略，其中首先介绍了控制系统的硬件部分。本控制系统采用了TI公司TMS320F2812型DSP作为控制器，结合其片上的PWM输出功能及目前几种成熟的PWM波形的特性，提出一种适用于本系统的PWM控制方式，并在本控制系统上实现；由于采用电流、位置双反馈控制，需要对电流和位置信号进行采样反馈，因此在综合多种因素之后选择了合适的电流和位移传感器；并利用优化算法对DSP的片上AD进行纠正，达到了较理想的采样效果。 在搭建控制系统的硬件基础上，本文设计了控制系统软件。首先介绍主程序的框架，而后详细说明各个子函数的实现，最后结合DSP的计算能力分析程序的时序与运算量，证明该DSP应用在本系统中的可行性。 最后给出了电流控制实验和闭环定位实验的相关实验数据，并对其进行分析，实验证明该直线电机具有较好的动静态特性，为下一步平面电机的研究工作奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 直线电机的应用与现状

1.2 Halbach阵列的应用与现状

1.3 论文的研究目的和主要工作

第2章 直线电机结构、电磁模型及控制策略

2.1 直线电机结构

2.2 直线电机电磁分析

2.3 直线电机动力学模型与控制策略

第3章 控制系统硬件的设计

3.1 DSP控制器TMS320F2812简介

3.2 PWM信号的分析

3.3 传感器的选择与使用

3.4 信号反馈与优化处理

第4章 控制系统软件的设计

4.1 主程序框架

4.2 伺服控制子函数

4.3 程序的时序与运算量

第5章 直线电机的相关实验

5.1 电流控制实验

5.2 闭环定位实验

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 直线电机主要部件尺寸图

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