基于无槽圆筒型永磁同步直线电机的伺服系统研究

摘要

高档数控机床是指具有高速、高精度和多轴加工能力的机床，而直线电机进给系统采用零传动方式，不仅改变了传统的滚珠丝杠传动方式存在的先天性缺点，而且具有速度高、加速度大、定位精度高行程长不受限制等优点，令其在数控机床高速进给系统领域逐渐发展为主导方向。但是直线电机自身的定位力波动等问题在一定程度上限制了其在这方面的应用。
　　本文主要针对一款无槽圆筒永磁直线同步电机磁负荷较低和定位力问题展开相关研究，以提高推力和降低定位力波动为研究目标。
　　首先针对无槽圆筒型永磁同步直线电机物理气隙长，气隙磁场弱的问题，对磁极结构进行了优化，采用凸形新型磁极结构，并优化获取最佳的磁极参数，提高气隙磁密，降低漏磁，提高该型电机的额定推力。仿真验证了凸形磁极结构的结构优势。随后针对无槽圆筒型永磁同步直线电机的纵向端部效应引起的推力波动问题，通过对端部铁芯结构的补偿研究，进一步降低定位力，提高了电机的整体性能。通过仿真验证了该方案的正确性及有效性。最后研制了样机，并搭建了直线电机的样机静态测试平台，完成了直线电机的相关测试工作。
　　其次推导了无槽圆筒型永磁同步直线电机在三相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型，并在Matlab/Simulink环境下搭建了相应的伺服控制系统。针对无槽圆筒型永磁同步直线电机的定位力问题，提出了基于定位力分段拟合的电流补偿控制策略，详细分析了无槽圆筒型永磁同步直线电机的定位力特点，并通过建立定位力的数学模型进行拟合，通过实验验证了该补偿控制策略的可行性及有效性。
　　最后设计并调试系统的硬件电路，分别搭建了直线电机样机测试平台与伺服控制系统平台。完成了直线电机样机的相关测试工作，通过伺服控制系统平台实现了无槽圆筒型永磁同步直线电机的伺服运行，并完成了定位力补偿控制等相关实验。

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注释表

第一章 绪论

1.1课题背景与意义

1.2直线电机的发展及应用

1.3直线电机的研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第二章 无槽圆筒型永磁同步直线电机的有限元仿真分析

2.1引言

2.2无槽TPMLSM的结构及其工作原理

2.3无槽TPMLSM的有限元仿真分析

2.4无槽TPMLSM的磁极优化

2.5本章小结

第三章 无槽圆筒型永磁同步直线电机数学模型及其控制策略

3.1引言

3.2无槽TPMSLM的数学模型

3.3永磁同步电机矢量控制系统

3.4本章小结

第四章 无槽圆筒型永磁同步直线电机的定位力补偿研究

4.1 引言

4.2 无槽TPMLSM定位力特性

4.3基于定位力分段拟合的补偿控制策略

4.4本章小结

第五章 无槽圆筒型永磁同步直线电机伺服控制系统的软硬件设计

5.1 引言

5.2 控制系统的硬件设计

5.3 控制系统的软件设计

5.4 本章小结

第六章 样机研制及系统实验研究

6.1 引言

6.2无槽TPMSLM样机研制及测试

6.3伺服控制系统实验研究

6.4本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

在学期间的研究成果及发表的学术论文