永磁同步直线电机推力波动分析与抑制策略研究

【摘要】直线电机将电能直接转换为直线运动,取消了一切中间传动环节(如丝杆、齿轮等)而直接提供直线驱动。与传统旋转电机相比,直线电机由于没有中间传动环节的限制与扰动,使其具有大推力、高速、高精、速度响应快以及在高速情况下能够精确定位的特点,因此直线电机已经开始成为高速高精数控设备的主要组成部分。然而直线电机存在推力波动大的缺点,尤其是在低速运行时,推力波动甚至可能引起共振,从而恶化其伺服运行特性(如位置跟踪精度),因此,直线电机的推力波动是其运行特性分析与研究的主要内容之一。论文以抑制永磁同步直线电机推力波动为核心,对引起永磁同步直线电机推力波动的因素进行了分析,然后针对死区效应和定位力引起的推力波动提出了相应补偿控制策略,并对其进行了实验验证。首先论文在了解和分析永磁同步直线电机结构和工作原理的基础上,分别对永磁同步直线电机的数学模型、基于磁场定向的矢量控制策略和空间矢量脉宽调制技术进行分析后,构建永磁同步直线电机伺服控制系统的三闭环控制结构。根据控制结构框图,在Matlab/Simulink仿真环境下,搭建了永磁同步直线电机伺服控制系统的仿真模型,仿真结果表明该系统控制算法是可行、有效的。其次,对引起永磁同步直线电机推力波动的因素进行分析,确定了纹波扰动和定位力扰动(端部力与齿槽力的合力)是引起永磁同步直线电机推力波动的主要原因。针对纹波扰动,论文从改善逆变器工作性能的角度出发,提出了基于扰动电压观测器的死区补偿算法,仿真结果表明该方法大幅减少了相电流波形中的谐波含量,同时有效的抑制了零电流箝位现象；针对定位力扰动,论文采用傅里叶曲线拟合法对测量获得的定位力曲线进行拟合,根据拟合公式设计推力电流补偿器,同时设计一个扰动观测器补偿其他扰动所引起的推力脉动,仿真结果表明该方法是有效的。最后在上述分析的基础上,建立了以DSPF2812为核心的永磁同步直线电机伺服控制系统软硬件平台,对所提出的控制策略进行实验验证,实验结果表明伺服控制系统设计方案是可行的、有效的,永磁同步直线电机的推力波动得到有效抑制。
【作者】陈康平；
【导师】曾岳南；
【作者基本信息】广东工业大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】永磁同步直线电机；推力波动；定位力；死区效应；补偿策略；

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