（电力电子与电力传动专业论文）圆筒型永磁同步直线电机电磁特性分析及伺服控制系统研究.pdf

学位论文版权使用授权书 煳煳 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所交送学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权 中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库 并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论 文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名：。钮辟易 1 年f 月厂。日 翮虢雳、l 之仟 | 1 年台具i ob 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：t 辫毛 日期：，年月，d 日 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着微处理器技术、电力电子技术、永磁材料制造工艺和现代控制理论的发 展，交流伺服系统应用越来越广泛。永磁同步直线电机因其优异的自身特性，被 越来越多地应用于高速、高精密进给交流伺服系统。 本文首先介绍了课题的研究背景及意义，直线电机的发展历史及其国内外发 展状况，给出了直线电机的工作原理和本课题直线电机的基本结构，进而在电机 电磁场基础理论和有限元方法基本原理的基础上，运用a n s o f t 仿真软件，建立了 本课题电机的二维电磁场分析模型。磁场分析时，从发电模式和电动模式两个方 面出发。发电状态时，侧重于空载和负载磁场的分析，得到三相绕组空载反电动 势和负载电磁力波形。电动状态时，侧重于推力波动的抑制，以推力大及其波动 小为优化目标，讨论了各电机结构参数对推力的敏感程度，且经有限元计算得到 各参数的最优值；在分析永磁同步直线电机推力波动产生机理的基础上，得出引 起直线电机推力波动的主要因素，并给出针对各影响因素可采取的抑制措施：采 用f e m 有限元法优化初级铁心长度，改变齿槽槽型及极弧系数的方案，来减小端 部效应和齿槽效应引起的推力波动。有限元仿真结果表明了方法的有效性，为今 后在这一领域的进一步研究提供了一定的基础。 基于矢量控制的基本原理、控制方法以及s v p w m 脉宽调制，给出了永磁 同步直线电机在旋转坐标系下的数学模型，设计了伺服系统所采用的= 0 的矢 量控制方案。在硬件上，搭建了以d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的伺服控制系统控 制电路；在软件上，采用c 语言编程，实现了矢量控制方案。最后，对永磁同 步直线电机伺服控制系统进行了空载实验调试，并根据实验结果对系统的性能做 出了分析与评价。实验结果验证了矢量控制策略的有效性，同时表明该伺服系统 能够稳定可靠运行。 关键词：永磁同步直线电机，磁场分析，推力优化，有限元法，空载电动势，负 载电磁力，矢量控制 江苏大学硕士学位论文 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y ，p o w e re l e c t r o n i c s ， p e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a l sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa n dm o d e mc o n t r o lt h e o r y ， a cs e l v os y s t e mi sw i d e l ya p p l i e d p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sl i n e a rm o t o r ( p m s l m ) h a se x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，s oi t i si n c r e a s i n g l yu s e di nh i g h s p e e d ，h i g h p r e c i s i o nf e e ds e r v os y s t e m t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ，h i s t o r ya n d d e v e l o p m e n to fl i n e a rm o t o rd e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，a n dg i v e st h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n dt h eb a s i cs t r u c t u r eo fl i n e a rm o t o r b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e so f t h e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d t h e o r y a n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t w o - d i m e n s i o n a l e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d a n a l y s i sm o d e lo ft h e m o t o rw a se s t a b l i s h e di na n s o t t s i m u l a t i o ns o f t w a r e m a g n e t i cf i e l da n a l y s i si n c l u d ep o w e rg e n e r a t i o nm o d ea n d e l e c t r i cm o d e f o c u s i n go nn o - l o a da n dl o a dm a g n e t i cf i e l da n a l y s i s ，n o l o a db a c k e m fo ft h r e e p h a s ew i n d i n ga n dl o a de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew a v e f o r mw e r eo b t a i n e d i np o w e rg e n e r a t i o nm o d e i tw a sf o c u so nt h et h r u s tf l u c t u a t i o ns u p p r e s s i o ni n e l e c t r i cm o d e l a r g ea n ds m a l lf l u c t u a t i o n so ft h et h r u s tw a st h eo p t i m i z a t i o n o b j e c t i v e ，a n d v a r i o u sm o t o r ss t r u c t u r a l p a r a m e t e r so ft h r u s ts e n s i t i v i t y w e r e d i s c u s s e d t h e nt h eo p t i m a lv a l u eo fe a c hp a r a m e t e rw a sc a l c u l a t e db yt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h em a i nf a c t o r sc a u s e dt h r u s tf l u c t u a t i o n so fl i n e a rm o t o rw e r eg o t o nt h eb a s i so ft h eg e n e r a t i n gm e c h a n i s mo fp e r m a n e n tm a g n e tl i n e a rs y n c h r o n o u s m o t o rt h r u s tf l u c t u a t i o n s ，a n ds u p p r e s s i o nm e a s u r e sf o re a c hf a c t o rw e r eg i v e n f o r t h et h r u s tf l u c t u a t i o nc a u s e db ye n de f f e c t t h ep r i m a r yc o r el e n g t h 谢t hf e mf i n i t e e l e m e n tm e t h o dw a so p t i m i z e d t h ea l v e o l a rg r o o v ea n dt h ep o l ea r cc o e f f i c i e n tw e r e c h a n g e dt o r e d u c et h et h r u s tf l u c t u a t i o nc a u s e db ys o f te f f e c t f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s so fm e t h o d s ，a n dp r o v i d e saf u r t h e rb a s i sf o r f u t u r er e s e a r c hi nt h i sa r e a b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fv e c t o rc o n t r o la n ds v p w mp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sl i n e a rm o t o r 1 1 1 江苏大学硕士学位论文 i nt h er o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e mw a sg i v e n a f t e rt h a t ，g i v et h es e r v os y s t e mc o n t r o l s t r a t e g y , t h a ti s ，= 0v e c t o rc o n t r 0 1 i nh a r d w a r ep a r t ，b u i l dt h ep m l s ms e r v o c o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s pt m s 3 2 0 f 2 812 ；t h es o f t w a r er e a l i z e dt h e v e c t o rc o n t r o l w i t hcl a n g u a g e a tl a s t ，n ol o a dt e s t sa r ec a r r i e do u to nt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mo f t h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sl i n e a rm o t o rs e r v os y s t e m ，a n dt h ea n a l y s i sa n d e v a l u a t i o nw e r em a d eo nt h es y s t e mb yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h et e s tr e s u l t s v e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so fv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g ya n ds h o wt h a tt h es e r v os y s t e mc a n o p e r a t es t a b l ya n dr e l i a b l y k e y w o r d s ：p m s l m ，m a g n e t i cf i e l da n a l y s i s ，t h r u s to p t i m i z a t i o n ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，n o l o a de m f , l o a de l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，v e c t o rc o n t r o l i v 第一章绪论1 1 1 课题概述一1 1 1 1 课题来源l 1 1 2 课题研究的背景和意义l 1 2 直线电机概述2 1 2 1 直线电机的历史及国内外发展状况2 1 2 2 直线电机的工作原理和分类4 1 3 电磁场计算方法7 1 3 1 解析法7 1 3 2 数值法7 1 4 永磁同步直线电机伺服控制策略。8 1 4 1 传统控制策略9 1 4 2 现代控制策略9 1 5 本课题研究的主要内容1 o 第二章直线电机的电磁场基础理论及矢量控制13 2 1 直线电机的永磁体充磁特点l3 2 2 本课题的圆筒型永磁同步直线电机的结构特点1 3 2 3 直线电机电磁场基础理论14 2 3 1 麦克斯韦方程组15 2 3 2 电磁场中的边界条件及其确定1 6 2 4 有限元方法概述16 2 4 1 有限元方法的基本原理1 6 2 4 2 网格剖分与运动问题的处理1 7 2 4 3a n s o t = i 电磁场分析软件建模过程1 7 2 5 矢量控制原理19 2 5 1 矢量控制中的坐标系及矢量控制方法1 9 2 6 旋转坐标系下永磁同步直线电机的数学模型2 0 v 江苏大学硕士学位论文 2 7s v p w m 矢量控制的实现j ：2 2 2 8 本章小结2 4 第三章圆筒型直线电机的建模及发电状态电磁特性分析2 5 3 1 圆筒型永磁同步直线电机在a n s o f l 软件的建模过程2 5 3 1 1 圆筒型永磁同步直线电机有限元模型的建立。2 5 3 1 2 激励源与边界条件定义2 7 3 1 3 运动选项设置及网格剖分设置2 8 3 1 4 计算结果后处理2 9 3 2 圆筒型永磁同步直线电机发电状态电磁特性研究3 0 3 2 1 圆筒型永磁同步直线电机发电状态空载磁场分析。3 0 3 2 2 圆筒型永磁同步直线电机发电状态负载磁场分析3 3 3 3 本章小结3 5 第四章圆筒型永磁同步直线电机电动状态电磁特性分析3 7 4 1 圆筒型永磁同步直线电机结构参数对推力的影响3 7 4 2 圆筒型永磁同步直线电机推力优化分析4 0 4 3 圆筒型永磁同步直线电机推力波动分析4 2 4 3 1 圆筒型永磁同步直线电机推力波动产生的因素。4 2 4 4 圆筒型永磁同步直线电机推力波动抑制方法4 3 4 4 1 边端效应原理及改善措施4 4 4 4 2 齿槽效应原理及改善措施4 7 4 4 3 本课题齿槽效应的改善措施。4 9 4 5 有限元计算结果5 4 4 6 本章小结5 5 第五章圆筒型永磁同步直线电机的i ) s p 控制系统5 7 5 1 主控芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 概述5 7 5 2 控制系统硬件设计5 7 5 2 1 控制系统硬件总体电路。5 7 5 2 2 控制系统的驱动模块i p m 及其驱动电路一5 8 5 2 3 电流采样及其调理电路5 9 v i 6 2 4 动子速度波形6 9 6 2 5 动子位置跟踪波形7 0 6 2 6i u 、i v 与i d 、i q 波形7 l 6 3 本章小结7 2 第七章总结与展望7 3 7 1 全文总结7 3 7 2 展望7 4 参考文献7 5 致谢8 0 攻读学位期间发表的学术论文8 1 v i l 江苏大学硕士学位论文 v i i i 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 第一章绪论弟一早辐记 本研究课题是江苏省自然基金项目“自由活塞发电发动机的模型建立、结构 优化和控制策略研究 ( 项目批准号为b k 2 0 0 8 2 2 8 ) 的重要组成部分。 1 1 2 课题研究的背景和意义 近年来，海、陆交通能源广泛使用矿物燃料导致二氧化碳和其他污染物的大 量产生。因此许多研究中，尤其是汽车行业，目前正着手开发更环保的燃料链。 混合动力汽车是一项在未来具有突出前景的技术。国外的一些学者开始探索一种 高效、节能、简易、低排放的内燃机发电装置自由活塞式发电发电机，目的 为混合动力汽车提供清洁能源。而与活塞直接连接的内燃直线发电机是近年来许 多研发机构正在研究的发电机种类，其具有结构简单、效率高和单位质量功率大 等特点【1 。2 】。本文所研究的圆筒型永磁同步直线电机就属于这种类型的特种电机。 自由活塞式发电发动机系统如图1 1 所示，可将燃料的化学能直接转换为电 能的装置，是一种非常特殊的燃料电池。从结构上来说自由活塞式发电发动机就 是一种将内燃机和直线发电机有机结合为一体的动力传动驱动装置。直线电机可 以根据工作需要分别处于发电与电动两个模式，并由控制器来实现这两种不同状 态的实时转换。具体的模式是：由内燃机左右两个燃烧室中的可燃气体交替燃烧 膨胀做功，推动中间的连杆来回往复运动，带动直线电机内的永磁体运动，永磁 体的磁力线交变地穿越外面的线圈，产生感应电流，电能经控制器由导线直接传 输给电动机，从而简化了机械结构的设计，减少了机械传动损耗，提高了机械效 率、发电效率和热效率o j 。此外，由于连杆作直线运动，不受侧向力的影响， 运动中的摩擦力很小，有利于延长系统的寿命和降低噪声。 江苏大学硕士学位论文 线圈永磁体 图1 1 自由活塞式发电发动机系统 在自由活塞发电发动机中，直线电机扮演着重要的角色。它的主要作用是把 动子的部分动能转化为电能，反过来它输出的电能又控制着动子的运动，起到稳 定燃烧过程的作用。本文的研究工作主要致力于采用磁场分析软件a n s o f lv 1 2 中的m a x w e l l 模块对自由活塞发电发动机进行磁场特性分析及优化和研究直线 电机电动运行时的伺服控制系统。由于圆筒型直线电机工作于发电和电动两个模 式，因此需从这两个模式分别出发进行有限元磁场分析。 本课题完成后，将有助于提高我国目前的直线电机设计水平，增强我国直线 电机产品的在国际上的竞争力，繁荣我国汽车行业的发展。总之，课题的成果将 会给国内直线电机行业以及汽车行业带来非常可观的经济效益和社会效益。 1 2 直线电机概述 1 2 1 直线电机的历史及国内外发展状况 直线电机又称之为线性电机，是一种将电能直接转换成直线运动机械能或是 将直线运动的机械能转换成电能的机电装置。前者称为直线电动机，或者则称为 直线发电机【1 。 直线电机的历史，据文献记载最早可追溯到1 8 4 0 年惠斯登( w h e a t s t o n e ) 开 始提出并制作了略具雏形但不成功的直线电机，至今已有1 6 0 多年的历史了。在 2 江苏大学硕士学位论文 此历史过程中，直线电机的发展主要经历了探索试验、开发应用和实用商品化三 个时期j 。 ( 1 ) 探索试验时期( 18 4 0 1 9 5 5 年) 从1 8 4 0 年到1 9 5 5 年的6 年期间为直线电机发展的探索实验阶段。从最初 的设想到实验试制再到部分实验性应用，直线电机经历了一个不断探索，屡遭失 败的艰难时期。自从惠斯登( w h e a t s o n e ) 首先提出和试制了直线电机后，直到 1 8 9 0 年才由美国匹兹堡市市长在他写的一篇文章中首次明确地提到了直线电机 以及它的专利。但由于此时的制造技术、工程材料以及控制技术的水平有限，在 经过断断续续二十多年的探索后，最终却未能获得成功。从1 8 4 0 年到1 9 3 0 年前 后，直线电机便处于孕育和萌芽时期。至此，从1 9 3 0 年到1 9 4 0 年期间，直线电 机进入了实验研究阶段，科研人员将直线电机理论及各种设想模型予以证实，并 获取了大量的实验数据，对己有理论有了更深一层的认识，为直线电机在今后的 应用奠定了坚实的基础。从1 9 4 0 1 9 5 5 年期间世界的一些发达国家科研人员， 在实验的基础上，又进行了一些实验应用工作。 ( 2 ) 开发应用时期( 1 9 5 6 1 9 7 0 年) 从1 9 5 6 年到1 9 7 0 年的时期为直线电机的开发应用阶段，自此直线电机进 入了全面的开发阶段，是直线电动机的“文艺复兴时期 。特别是控制技术 和材料技术的惊人发展，加快了直线电机的开发应用。 ( 3 ) 实用商品化时期( 1 9 7 1 至今) 从1 9 7 1 年开始到至今，直线电机终于进入了独立的应用时代，在这个时 代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置 和产品，在这个时期，研究人员通过总结直线电机以前的发展历史，终于开 创出了一条适合直线电机自身发展的独特思路。直线电机不再与旋转电动 机直接对抗，不是以单机的形式与旋转电动机相竞争，而以系统与旋转电 动相比，在旋转电机无能无力的地方寻找自己的位置。 一些发达国家的许多学者和不少老牌的电气企业都在研究和开发直线电机 产品，比如德国西门子( s i e m e n s ) 公司、美国西屋( w e s t i n g h o u s e ) 公司，以及英 国、法国、瑞典等一些西欧国家。在日本，从事直线电机研究的人员之多、研 究范围之广在世界上也是遥遥领先。相对于国外，我国直线电机的研究和应 江苏大学硕士学位论文 用发展起步较晚，最早的是在七十年代初浙江大学首先译的一本直线感 应电动机译文集【l2 1 ，到现在才不过三十多年的时间。现在国内己出现了 一支直线电机开发、研究队伍、各大专院校、科研单位和公司积极开展了 各类直线电机的基本理论和开发应用的研究，并取得了很大的发展，一些 产品已赶上国际先进水平，还有的甚至是首创。国内已有许多项关于直线 电机的专利，例如浙江大学的遥控直线电机窗帘机、世界首创的新型电磁 式直线电机冲床、圆盘直线电机驱动并利用其电磁内热的炒茶机、西安交 通大学研发的一种新型电磁打泊机、上海工业大学设计的用于浮法玻璃生 产的直线电机、直线电机驱动的自动门等等。近年来，直线电机的应用领 域更是全面铺开，举世瞩目的上海磁悬浮工程正是采用长定子直线同步电 机来驱动高速磁悬浮列车的。在理论研究上，我国也有很大的发展，发表 了不少的文章，出版了一些书籍。现在直线电机的应用面很广，涉及到工 业、运输、建筑、医学、民用等多方面，越来越受到人们的重视，其发展 前景甚为广阔。 1 2 2 直线电机的工作原理和分类 直线电机从结构上可看成是将旋转电机沿径向切开，并展平的结果，此时转 子的旋转运动变成了直线运动。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而 来的一侧称为次级，如图1 2 所示。旋转电机的径向、周向及轴向在直线电机里 分别称为法向，纵向和横向。在实际应用中，由于直线电机必须在保持紧密的电 磁耦合的前提下使初级和次级做有空间上的相对运动。因此需要将电机的其中一 级固定在基础设施上，而与之对应的另一级则安装在可移动装置上。一般的将初 级固定的称作长初级( 或短次级) ，将次级固定的称作短初级( 或长次级) 。至于 在实际应用中做成长初级还是长次级，要视具体情况而定。通常是把成本较低的 - t 贸1 j 做得较长i 川。 4 江苏大学硕士学位论文 定子 图1 2 旋转电机演变为直线电机的过程 直线电机运行原理同旋转同步电机有许多相似之处，即在通入三相交流 电后，会在气隙中产生磁场。唯一不同的是这个磁场是沿直线方向移动的 行波磁场而不是旋转磁场，行波磁场与次级相互作用便产生电磁力。如果初 级固定，则次级在电磁力的作用下做直线运动；反之，次级固定，则初级作直 线运动。直线电机就是这样把电能直接转变为直线运动的机械能而无需任何中 间变换装置。 直线电机的基本结构为平板形，若仅在次级的一侧安装初级，则称为单边 型结构或单边直线电机，如图1 3 所示；若在次级的两侧各安装一个初级，则称 为双边型结构或双边直线电机，其优点是可以消除法向吸力并提高次级的利用 率，如图1 4 所示。如果把平板形结构沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒 形，这样就构成了圆筒型直线电机，如图1 5 所示；若沿法向弯曲则可得到弧形 结构，如图1 6 所示；沿横向弯曲则可得到盘形结构，如图1 7 所示。所谓圆弧 型结构就是将平板型直线电机的初级沿运动方向改成圆弧型，安放于圆柱形次 级的柱面外侧；圆盘型是将直线电机次级做成一片圆盘，初级放在次级圆盘靠 近外缘的平面上。 次级 a ) 短初级长次级 初级 一 鼾 江苏大学硕士学位论文 次级 次 b ) 长初级短次级 图1 3 单边型直线电机示意图 卜 爱 园园因国园图国国国国i 初级 、 次级 a ) 短初级长次级 ”长初级短次级 图1 4 双边型直线电机示意图 次级 图1 5 扁平型单边直线电机到圆筒型直线电机的演变过程 l! 图1 6 圆弧型直线电机图1 7 圆盘型直线电机 6 盘 次商撇 黑 次鬈 要是变换数学法：严格求解偏微分方程的方法是分离变量法，即在可分离变量的 坐标系中求解m a x w e l l 方程组或其退化形式，得到解析觯1 4 1 。但解析法推导过程 较繁琐，缺乏通用性，求解范围有限。文献 1 5 q 朗p 是采用了解析法对圆筒型永 磁直线同步电动机作了分析计算，并依据实验结果验证了此方法的有效性。 1 3 2 数值法 从2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机技术的飞跃发展，大量电磁场数值计算方 法不断涌现，并得到了广泛应用。与解析法相比，数值计算方法受边界形状的约 束大为减少，可解决各类型的复杂问题。 电磁场数值求解方法可分为两类：时域和频域【1 3 】。时域数值求解方法主要 有时域差分法；频域数值求解方法主要有有限差分法、矩量法等。从求解方程的 形式看，也可分为两类：积分方程法和微分方程法。积分方程法主要有直接积分 法、等效源法、边界元法、矩量法等；微分方程法有有限差分法、有限元法等。 ( 1 ) 有限差分法 时域有限差分法( f d t d ) 是由美国学者k s y e e 于1 9 6 6 年提出刚乃】，它将时 域m a x w e l l 方程中的两个旋度方程用二阶精度的中心差分来近似，从而把微分方 程转化为差分方程。 有限差分法是利用网格剖分的方法将定解区域离散为离散节点的集合，此后 以差分原理为基础，将各离散节点的函数的差商来近似代替该点的偏导数，这样 7 就把 数值 简单 处理 布变 给使 场， 有限元法( f e m ) 是于2 0 世纪6 0 年代提出的【1 9 1 ，1 9 6 5 年w i n s l o w 首先将其应 用于电气工程问题。随后，1 9 6 9 年s i l v e s t e r 将有限元方法推广应用到时谐电磁场 问题。如今，有限元法已成为各类电磁场问题分析与优化设计的主要方法。有限 元法是一种根据变分原理和离散化而取得近似解的方法，具体方法概述将在第二 章中做详细的介绍。文献【2 0 】通过有限元法计算得到了低速永磁直线同步电机的 二维磁场分布图和气隙磁密变化曲线，得出有限元法是分析计算的最有效方法之 一。谢菲尔德大学( t h eu n i v e r s i t yo f s h e f f i e l d ) 的汪佳斌教授多次运用有限元法 对永磁电机进行磁场分析，如文献【2 1 】【2 2 】分别对轴向充磁和径向充磁的永磁电 机的结构参数作了优化设计，取得了良好的效果。 ( 3 ) 矩量法 矩量法是频域数值求解法中有效解决电磁问题的主要手段之一。它将待求解 的积分方程问题转化为矩阵方程问题，并借助于计算机，求得其数值解【1 6 1 。矩 量法的优点有：求解过程简单，且步骤统一，应用方便；缺点有：计算量比较大， 计算任务繁重。矩量法主要在电磁场散射问题和天线分析中有比较广泛地应用。 电磁场数值计算方法远远不止以上这几种方法，还有边界元法、格林函数法、 复射线法等等。在具体问题中，应采用不同的计算方法，还可以把这些方法综合 利用1 ，以达到最佳效果。 1 4 永磁同步直线电机伺服控制策略 8 江苏大学硕士学位论文 永磁直线电机伺服系统与传统“旋转电机滚珠丝杠”进给方式相比， 虽然消除了机械传动链所带来的一些不良影响，但由于直线电机初级铁心结 构的特殊性，固有边端效应、齿槽效应问题，给推力带来波动，要求在设计时 提高电机推力和推力密度，采取各种有效措施减少其推力波动，否则零传 动将失去原来的意义。直线电机的推力波动分析是其电机设计与控制策略研究 的主要内容之一。 1 4 1 传统控制策略 传统控制策略如p 1 、p i d 控制、解耦控制等，在交流系统中得到了广范的 应用。其中p i d 控制【2 4 】是比例积分微分控制的简称，其算法蕴涵了动态控制过 程中的过去、现在和将来的信息，具有很强的鲁棒性，是交流伺服电动机驱动系 统中最基本的的控制形式，且算法简单不依赖于模型，使用方便，适应性强，因 此应用十分广泛。 p i d 控制器在实际应用中可根据不同的情况进行拆分组合【2 5 1 ，如p l 控制器、 p d 控制器等。邹敏在永磁同步直线电机的速度闭环中采用了p i d 控制和模糊控 制两种算法相结合的模糊p i d 控制器，同时提出改进型的模糊算法，但位移闭 环和电流闭环均采用常规p i d 控制算法【2 6 】。 1 4 2 现代控制策略 目前应用较多的现代控制策略有自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制、 预见控制和智能控制。 自适应控制适用于降低或消除直线伺服电动机特性参数缓慢变化的这一类 扰动及其它外界干扰对系统伺服性能的影响。自适应控制大体可分为模型参考自 适应控制和自校正控制两种类型【2 7 1 。自适应控制的最大缺点是所设计的自适应 率不一定能保证系统的稳定性。 滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不 连续性。变结构控制具有快速响应、对参数及振动变化不敏感、无需在线辨识与 设计等优点，因而在伺服系统中得到了广泛的应用。但抖振问题限制了它的应用 局限性。文献 2 8 】中针对永磁同步直线电机提出了基于模糊递归神经网络的滑模 9 江苏大学硕士学位论文 变结构控制方法，取得了一定的效果。 鲁棒控制的研究始于1 9 7 6 年，是针对控制对象模型的不确定性，设法保持系 统的稳定鲁棒性和品质鲁棒性f 2 8 1 。玩控制是一种目前比较流行的鲁棒控制方 法，其本质是通过使系统的闭环传递函数矩阵的玩范数取极小来设计控制器。 很多学者将玑控制理论应用在直线电机伺服系统中，并作了大量的研究和实验， 得到了显著成果【2 5 1 。 所谓预见控制是在对目标值的过去、现在、未来和干扰信号的未来情况完全 知道的情况下，使目标值与被控量间的偏差整体达最小，于是就自然地将其归为 在全控制过程期间的某一评价函数取最小值的最优控制理论框架之中【2 3 1 。 智能控制的概念最早由傅京孙教授提出，他将智能控制概括为自动控制和人 工智能的结合。模糊逻辑控制、神经网络和专家系统是当前三种比较典型的智能 控制策略口9 1 。如文献【3 0 】叶云岳针对直线电机复杂的非线性系统，将模糊逻辑控 制与p i d 控制进行了比较，证明了采用模糊控制的优势。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题的研究对象为圆筒型永磁同步直线电机。此电机采用永磁体提供磁 场，不需要直流供电的磁场线圈，其结构更为简单，降低了加工和装配费用，且 提高了电机运行的可靠性；又无需励磁电流，无励磁损耗，提高了电机的效率。 本课题定位于研究圆筒型永磁同步直线电机分别处于发电和电动两个模式 下的磁场特性以及其伺服控制策略。本课题的研究内容主要包括以下几方面： ( 1 ) 分析本课题研究的背景和意义，介绍直线电机的发展、国内外发展现 状、工作原理和分类、电磁场计算方法以及直线电机伺服控制策略的概况； ( 2 ) 研究直线电机的充磁方式以及本课题直线电机的结构特点，概括电磁 场基础理论及有限元方法，并介绍矢量控制的基本原理，给出永磁同步直线电机 在旋转坐标系下的描述，分析本课题所采用的控制策略； ( 3 ) 根据本课题直线电机的结构特点，建立其在软件a n s o f l 中的有限元模 型，利用有限元计算方法对发电状态时的空载磁场和负载磁场进行分析，分别得 到空载电动势和负载电磁力曲线； l o 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 电动状态时，研究各电机结构参数对推力的影响程度，分析推力波动 产生的原因以及各因素的抑制方法，其中重点专注边端效应和齿槽效应； ( 5 ) 介绍伺服控制系统硬件系统和软件系统的各个组成部分； ( 6 ) 对空载实验及实验波形进行分析，验证所设计的伺服控制系统的可靠 性，证明矢量控制策略的有效性。 江苏大学硕士学位论文 1 2 江苏大学硕士学位论文 第二章直线电机的电磁场基础理论及矢量控制 2 1 直线电机的永磁体充磁特点 直线电机中永磁体的充磁方式主要有三种3 ”2 】：径向充磁、轴向充磁 和h a l b a c h 结构，如图2 1 所示。本课题中的直线电机采用永磁体轴向充 磁方式。 a ) 径向充磁 b ) 轴向充磁 c ) h a l b a c h 充磁 图2 1 三种充磁方式示意图 其中l 一初级，2 一永磁体，3 一次级轭部 无论在径向磁场还是轴向磁场电机中，磁力线所在平面均与电机运动方向在 同一平面内；如果忽略端部效应，电机内的磁场可用二维场来表示【3 3 】。 2 2 本课题的圆筒型永磁同步直线电机的结构特点 综合考虑课题的要求，电机的性能以及成本，最终选择了美国c o p l e y 公司 的型号为s t a 2 5 0 4 一s 2 0 6 s s 0 3 f 圆筒型永磁同步直线电机。该电机采用轴向充 磁方式；内置位置线性霍尔元件，可达到1 2 1 a m 的可重复定位精度；内置热敏电 阻，用于电机过热保护。电机的外形结构和电气参数如图2 2 和表2 1 所示。 1 3 江苏大学硕士学位论文 图2 2c o p l e y 圆筒型直线电机s t a 2 5 0 4 表2 - 1s t a 2 5 0 4 的电气参数 2 5 峰值推力 3 1 2n 2 5 峰值电流 2 0 a p k 2 5 持续推力 5 l n 2 5 持续电流 1 9 2a r m s ；2 7 2a p k 反电动势常数 18 0v p k m s 涡流损耗 9 5 ln m s 2 5 电阻 6 0 2 0 h m i k h z 电感3 9 m h 电气时间常数 o 6 5m s 最大工作电压 3 8 0 vd c 最大加速度3 9 4 州 最大速度5 9 m s 最大行程2 0 6 m m 线电机电磁场基础理论 工程应用中，各类物理或非物理问题，都可以通过合理假设的数学模型来 然后在此数学模型的基础上进行实际问题的理论分析和科学研究。因此， 型的建立必须与实际问题精确的逼近，否则即使采用最巧妙的数学处理， 在理论分析中也未必有用。于是，建立完善的数学模型乃是解决各类实际 关键。 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 3 1 麦克斯韦方程组 宏观电磁理论最高度概括的数学模型就是麦克斯韦方程组。宏观电磁现象的 基本规律可非常简洁的用一个方程组，即麦克斯韦方程组来表示1 3 4 1 1 3 5 】【3 6 1 。 1 9 世纪中叶，麦克斯韦在总结前人工作的基础上，提出了麦克斯韦方程组。 麦克斯韦方程组的微分形式如下面4 个方程组所列成：。 安培环路定律：厂d t h = j + 穆珞 法拉第电磁感应定律：r o t e = 一f 高斯电通定律：d i v d = p 高斯磁通定律：d i v b = 0 式中日一一磁场强度( f m ) ； ，一一电流密度( a m 2 ) ； d 一一电位移( c m 2 ) ； e 一一电场强度( v m ) ； b 一一磁感应强度( t ) 。 其积分表示形式为【3 8 1 ： 五d 7 = g 了+ 害 d c 2 ， p 7 = 一g 争；rn v 舒弓d ；= j j j p a y sv 肛d ；= 0 s 其中，f 一一曲面q 的边界； j 一一传导电流密度矢量； 雩l 西位移矢量密度( a m 2 ) ； d 电通密度( c m 2 ) ； ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 江苏大学硕士学位论文 e 一一电场强度( v m ) ； b 一一磁感应强度( t ) ； p 电荷体密度( c m 3 ) ； v 一一闭合曲面s 所围成的体积区域。 2 3 2 电磁场中的边界条件及其确定 电磁场问题求解中，有各种各样的边界条件，归纳起来可概括为以下六类： ( 1 ) 自然边界条件；( 2 ) 诺依曼边界条件；( 3 ) 狄利克莱边界条件：( 4 ) 对 称边界条件；( 5 ) 匹配边界条件；( 6 ) 气球边界条件1 3 7 1 。 在应用有限元法求解电机电磁场时，应尽可能的缩小求解区域范围，一般情 况下取电机多 i - n 表面作为边界面，这是一个强加的边界面。因为铁磁物质的磁导 率远远大于空气磁导率，所以这种近似在工程上是合理刚3 引。 电机结构的对称性使得磁场沿周向是周期变化的，具有周期性边界条件，计 算时可只计算电磁场的一部分。同样在本课题中由于圆筒型直线电机具有对称 性，也只需分析模型的一半既可。 2 4 有限元方法概述 2 4 1 有限元方法的基本原理 由第一章可知电机电磁场数值分析主要采用有限元法、边界元法和有限差分 法。其中最有效、目前应用最广的是有限元法，它是一种声誉极高而且在工程领 域得到广泛应用的电磁场数值计算方法【3 9 j 。 所谓有限元法，即是将整个区域分割成许多很小的子区域，这些子区域通 常称为“单元”或者是“有限元 ，将求解边界问题的原理应用于这些子区域中， 求解每个子区域，然后把各个小区域的结果综合起来，便得到了整个大区域的解。 有限元法从变分原理或加权余量法出发，与单元剖分和分片插值相结合，来 求解数理方程的一种数值方法。有限元法首先从偏微分方程的边值问题出发，可 以简要地归纳为以下四个步骤f 3 l 】： ( 1 ) 列出与偏微分方程边值问题等价的条件变分问题： 1 6 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 将区域进行单元剖分