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多直线开关磁阻电机位置同步控制研究

论文编号:lw201708251917356298 所属栏目:控制工程论文 发布日期:2018年01月28日 论文作者:无忧论文网
第 1 章 绪论

1.1 引言
随着现代制造业的发展,越来越多的生产场景必须使用多电机同步控制才能制造出符合客户要求的产品。在驱动重型设备时,单电机驱动单轴所产生的转矩有限,而经常需要多电机同步控制以产生更大的驱动力;龙门架键铣加工中心在高速移动时,采用多电机同步控制可以使多电机的驱动力与龙门架的重心中心一致,能显著降低轮廓误差;在造纸、印染、纺织等行业里,要求机床处于高转速高精度运行,电机之间的位置和转速存在着约束关系,对多电机运行进行同步控制可以有效提高系统的运行性能[1][2][3]。如今,越来越多的同步控制系统中都需要进行直线运动的操作,常见产生直线运动的方式是在由旋转电机驱动的控制系统中增加丝杆、皮带、滚珠等传动部件把旋转运动转化为直线运动,这种方式产生的直线运动基本可以实现所需精度的控制,但由于额外增加了传动机构,使得系统结构变得复杂,维护难度加大,制造成本上升,传动机构的机械磨损还会影响系统的控制精度和稳定性,且旋转运动经过中间机构转换为直线运动,会有能量损耗,导致能量传输效率降低[4]。相比旋转电机,直线电机不需要传动装置就可以利用电磁原理将电能直接转化为直线运动的机械能,因而使用直线电机实施直线运动控制的系统具有能量传输效率高,制造成本低,控制精度高的特点,由于以上特点,直线电机被大规模地用于同步控制系统中[5]。目前,国内外主要研究的直线电机有永磁直线电机、感应直线电机和直线开关磁阻电机,直线开关磁阻电机因为动子部分没有永磁体及线圈,具有结构简单、可靠性高、耐高温、成本低等优点[6],故多直线开关磁阻电机同步控制系统在交通运输、国防工业、机械加工等诸多领域都具有十分可观的应用前景[7],因此寻找可靠的控制策略,使得多个直线开关磁阻电机在复杂工业生产环境中具有良好的同步性能就显得十分有意义。
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1.2 课题研究背景与发展现状
直线开关磁阻电机由直线电机演变而来。最早的直线电机是在 1845 年由英国人Charles Wheaston 发明,但由于电机设计的气隙较大致使效率较低而未获得成功[8]。在随后的一个多世纪里,科学家们在前人基础上不断改进设计,直线电机被美国西屋公司用于飞机弹射器试验、英国皇家飞机制造公司用于导弹发射装置,但受当时制造技术、工程材料与控制技术的制约,相比旋转电机,直线电机在成本和效率上并不具备优势,因而未能被广范推广使用[9][10]。1955 年以后,由于技术的积累和对理论的深入理解,直线电机的研制与应用获得飞速发展。国内外一大批大学和研究机构致力于直线电机的研制与应用,国外有美国的 Anorad、德国西门子、日本安川、瑞士的 Lin Mot 等公司,1993年,德国公司 ZXCE-O 首先推出了由直线电机驱动的 HSC-240 型高速加工中心,紧接着美国公司 Ingersoll 也推出由直线电机驱动的当时国际上性能最优秀的 HVM800 型高速加工中心[11]。图 1.1 为西门子制造的直线电机。目前,国内有中科院、浙江大学、清华大学、西安交通大学等研究机构致力于直线电机的研究与应用,并取得了相当可观的研究成果,这些成果被应用在轨道交通、冲压机、玻璃拌机、粒子加速器等产品中[12]。例如,北京地铁研制的大功率强迫风冷式直线感应电机,该电机在北京地铁线已完成载客考核实验[13]。直线开关磁阻电机是一种结合了直线电机的结构特征和开关磁阻电机控制原理发展而来的一种新型电机,国内外的研究主要集中于直线开关磁阻电机的本体设计和电动控制。弗吉尼亚理工大学 R. Krishnan团队提出了纵向磁通直线开关磁阻电机的本体结构设计方法和基本原理,并建立了磁路模型,该电机可应用于垂直电梯驱动系统[14];罗维拉依维吉利大学 J. G.Amoros团队针对纵向磁通直线开关磁阻电机进行了尺寸优化[15]。香港理工大学的N. C. Cheung团队设计的单边直线开关磁阻电机具有相间解耦、能实现高精度位置控制,具有力矩脉动小的优点[16];深圳大学潘建飞教授团队设计的双边不对称开关磁阻电机,具有出力大、运行精度高、功率密度高,成本低等优点,并基于该电机设计了波浪能发电系统[17]。北交大葛宝明教授团队研制了可用于轨道交通的横向磁通开关磁阻电机,该电机具有相间互感小、适宜长距离地面铺设,制造成本低等优点[18]。图1.2为深圳大学设计的双边不对称直线开关磁阻电机。
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第 2 章 直线开关磁阻电机结构和工作原理

2.1 直线开关磁阻电机工作原理
直线开关磁阻电机是由开关磁阻电机发展而来的一种新型直线电机,兼具直线电机和开关磁阻电机的特性。相比旋转电机通过丝杆+皮带或滚珠驱动负载作直线运动,LSRM 直接将电能转化为驱动动子做直线运动的机械能。所以这种电机具有结构紧凑、简单、耐高温、抗震动、没有空程差、控制精度高、响应速度快的特点,非常适用需要高速及精确控制位置的工业生产环境[31]。本文研究直线开关磁阻电机 3D 图如图 2.1 所示,该电机主要由动子,定子线圈等部件构成,且动子和定子都是凸极的,构成双凸极结构。当电机运行时,其磁场线总是沿着最小路径闭合。从图中可以看到在动子两边各有三个线圈,两边相同相的线圈之间用漆包铜线串联起来。实际位置控制过程中,要在定子上安装位置检测装置,用来检测定子相对动子的位置,并反馈给控制系统,实现精确的位置控制。直线开关磁阻电机从结构上可以看做是旋转磁阻开关电机沿径向剖开,按圆周展开得到的,其工作原理和旋转开关磁阻电机相似,即电机的动子在切割磁场时,会产生感应电流和感应电动势,动定子气隙间的磁场和感应电流就会产生相互作用力,也就是电磁牵引力,然后电机的动子在电磁牵引力的作用下做直线运动,从而将电能直接转换为直线驱动动子运行的机械能[32]。LSRM 的三相线圈分别为 A 相、B 相、C 相,当三相动子的凸极主轴线跟磁场主轴线对齐时,磁阻最小,相对牵引力为 0。电机控制时,同一时刻只有一相动子的凸极主轴线与定子的凸极主轴线线对齐,通过换相算法使三相依次对齐,在换相过程中会产生相对的牵引力使动子做直线运动,例如,当初始状态,首先使 A 相对齐,此时无牵引力,再关闭 A 相,开通 B 相,换相过程中由于 B 相的动子凸极主轴线与磁场的轴线不重合,动子凸极主轴线和磁场主轴线有向一起靠拢的趋势,从而产生直线运动,当主轴线重合,直线运动停止,此时再关断 B 相,给 C 相通电,就会重复上述运动,循环下去,即 A-B-C-A 的开通方式;如果按 A 相对齐,再关 A,开通 C 相,再关断 C,给 B相通电,即按 A-C-B-A 的开通方式,则电机牵引力方向改变,运动方向改变。可知电机的运行方向只与电机各相线圈的开通顺序有关,与电流顺序无关[33]。
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2.2 直线开关磁阻电机模型
LSRM 的电磁结构如图 2.2 所示。根据该模型建立直线开关磁阻电机的数学模型。L为定子线圈等效电感;为磁极距; x 为动定子相对位移; F 为电磁力。利用该基本模型,建立 LSRM 电磁方程、电路方程及动力学方程[34]。本章主要介绍了 LSRM 电力驱动系统构成,LSRM 结构和工作原理,并根据其电磁结构模型推导出了电磁方程,电路方程和动力学方程,最后简略介绍了 LSRM 的位置控制策略。
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第 3 章 主令结构下的多 LSRM 位置同步控制研究............12
3.1 主令同步控制策略......... 12
3.2 干扰观测器基本结构及原理...........12
3.3 基于多 LSRM 的同步控制算法设计.......16
3.4 仿真分析....... 16
3.5 基于 d SPACE 的多 LSRM 同步控制系统设计.........19
3.6 实验研究....... 21
3.7 本章小结....... 23
第 4 章 基于相邻交叉耦合的多 LSRM 位置同步控制研究.........24
4.0 相邻交叉耦合同步控制策略...........24
4.1 基于相邻交叉耦合的多 LSRM 位置同步控制算法..........25
4.2 仿真分析....... 29
4.3 实验研究....... 32
4.4 本章小结....... 36
第 5 章 基于 STM32F407 的多 LSRM 位置同步控制系统设计...........38
5.1 基于 STM32F407407 的位置同步控制系统设计意义......38
5.2 基于 STM32F407 的多 LSRM 位置同步控制系统硬件设计....38
5.3 基于 STM32F407 下位机控制程序设计.......... 41
5.4 基于 Labview 的上位机控制程序设计....43

第 5 章 基于 STM32F407 的多 LSRM 位置同步控制系统设计

5.1 基于 STM32F407 的位置同步控制系统设计意义

利用 d SPACE 平台开发多 LSRM 位置同步控制系统非常简单和快速,但实际工业应用中,通常不会用 d SPACE 平台设计控制方案,主要原因是该平台单价高昂,不具成本优势,其次,相比嵌入式系统直接对芯片进行开发,d SPACE 中的各个功能模块程序已经固化,无法修改、优化。另外,第四章讨论过,本课题中,d SPACE 平台通信方式单一,在验证基于相邻交叉耦合的多 LSRM 同步控制算法时,组成的环形串行通信网络信息传递需要中转,传输错误率较高,容易出现信息传输错乱的现象,系统运行稳定性较差。因此基于工业实际应用和解决本课题中 d SPACE 平台通信不稳定问题的原则,本章决定设计基于 STM32F407 微控制器的多