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1、交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计开题报告一 、综述1、研究的意义直线电机技术是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要通过中间任何转换装 置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪音低、组合性强、维护方便等优点。旋转 电机所有的品种，直线电机技术几乎都有相对应的品种。其应用范围正在不断扩大。在一些 它能独特发挥作用的地方，取得了非常令人满意得效果。随着微电子、电力电子技术、永磁 材料技术和驱动技术的发展，直线电机系统有了长足的进步，国外著名电器(气)公司相继 推出并不断完善、更新各自的直线电机系统。其应用十分广泛，如列车驱动、物料运送、机 床工作、食品和轻工机械、自动绘图仪、液压金属
2、泵、空气压缩机、电磁炮、家用电器以及 半导体器件等。与国外发达国家相比，我国直线电机在技术上有很大的差距，在市场上有很 大的潜力，1所以做这个题目有很大的实际意义。2、直线电机的发展历史及现状 直线电机的发展主要经历了探索、实验、开发应用以及实用商品化四个阶段: 探索阶段(1886一 1929)19世纪末20世纪初，N.Tesla研究了一系列运动电磁场方面的技术，并开始了直线电 机方面的研究工作。值得注意的是，在该阶段，部分研究者不仅从理论上研究了直线电机的 驱动原理，并且进行了各种应用方面的初步研究，但大多数以失败告终。如当时用直线电机 来推动织布机上的梭子，或作为铁路列车的动力，均未获得成
3、功。直到1915 年，苏联的齐 亚夫完成了最早的水银用电磁泵。把直线电机的原理性试验向前推进了一大步。 实验阶段(1930一 1940)在这个阶段，直线电机受到更多重视，一度出现了直线电机热。如1930年美国的Bachelet 获得双边型直线电机专利 ;1931 年德国 Einstein 等人获得直线电磁泵专利;1934 年美国 Hase 完成直线电磁炮。在这个阶段即将结束时，美国西屋公司发生了著名的电动牵引机 (electropult)失败事件。失败的原因首先是其相关技术尚不完善，其次是没有能够充分掌握直 线电机的特性。但是，西屋公司在实际应用方面的尝试给后人提供了宝贵的经验与教训。开发应用
4、阶段(1945一 1969)这一阶段可以说是直线电机的“文艺复兴时期”。控制技术和材料技术的快速发展加快 了直线电机的开发应用。如日本基于直线电机的新干线技术的成功，使感应式直线电机开始 应用在高速铁路上。1963 年后，随着控制技术和材料性能的显著提高，出现了一些应用直 线电机的实用机械。如 1963 年日本钟通先生成功研制双边型直线电机驱动转台;1965 年美国 SkinnerPreci公司开始出售圆柱型直线电机;1968年开始出现直线步进电机，并应用在自动绘 图仪上;还有MHD泵，磁头定位驱动装置，电唱机，缝纫机，空气压缩机，输送装置等等。 实用商品化阶段（1970一至今）从 1970
5、年开始，直线电机终于进入了使用商品化时代。例如在核动力的发展过程中， 需要抽吸钠钾混合物之类的液态金属，产生了作为输送和搅拌液态金属的直线电机电磁泵。 随着超高速运输系统的发展，直线电机应用于磁浮列车，以及钢管输送机，运煤机，电动门， 电动窗，电动编织机，起重机，空压机，冲压机，电梯等。 23直线电机的控制介绍永磁直线同步电机由于采用永磁体励磁，在有槽电机中会产生推力纹波、齿槽效应和端 部效应。为了减小推力纹波，应使永磁同步直线电机的初级电流和空载反电势波形尽量接近 正弦形。构造正弦波形气隙磁密或选择合适的次级磁铁形状及布置方式都能使初级反电势波 形接近正弦波形。提高电机推力密度的同时如何减小
6、齿槽力是永磁直线电机要解决的问题， 研究表明通过优化永磁体极距宽度、采用磁钢斜排、增大气隙、采用无槽结构、优化铁心长 度等措施可以减小或消除齿槽力，但某些措施的采用会造成其它性能的减弱。为了研究端部 效应对电机性能的影响，许多学者在建立直线电机数学模型时将端部效应的因素考虑进去， 减小端部效应可以从结构（如加入补偿绕组、改变端部形状）和控制（端部效应补偿）两方 面采取措施。基于上述控制芯片能够实现复杂的控制，目前直线电机伺服控制系统采用的控制策略分 析如下：1传统的控制策略在直线永磁交流伺服电机系统中存在着多个电磁变量和机械变量，在这些变量之间存在 较强的耦合作用，为了提高控制效果，在交流伺服
7、系统中通常要求实现矢量控制，矢量控制 就是将三相电流矢量分解为两个独立的电流分量，以实现单独控制。一般是使磁场分量为零， 使输出力与交轴电流具有线性关系。电流矢量与速度反馈回路也有耦合作用，在动态过程中， 可以采用解耦控制算法加以解决，使各变量间的耦合减小到最低限度，以使各变量都能得到 单独的控制。2现代控制方法随着科学技术的发展，对各种机械零件的加工精度要求愈来愈高，必须考虑控制对象参 数乃至结构的变化、非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变的不确定因素，才 能得到满意的控制效果。在实际应用需求的呼唤下，在计算机高速度、低成本所提供的良好 物质条件下，一系列现代控制方法应运而生，并应
8、用于实际中，如非线性控制、自适应控制、 滑模变结构控制、预见控制、鲁棒控制、辨识算法。现代控制算法都有很强的针对性和复杂 的算法，选择时应结合应用场合和控制性能要求选择相应的控制策略。3智能控制算法从 60 年代起，为了提高控制系统的自学习能力，人们开始注意将人工智能技术与方法 应用于控制系统。对控制对象、环境与任务复杂的系统宜采用智能控制方法。综上所述，可以看出直线电机的控制算法运算量较大，而且在高速加工进给系统的实际 应用实时性要求很强。因此，要提高直线电机伺服控制系统的总体性能，应选择高性能的运 算单元和伺服控制方案。在高速加工中心进给系统中通常采用全数字驱动技术，以PC机作 为基本平台
9、，采用 DSP 实现伺服控制。4. DSP 处理器数字信号处理器(digital signal processor，DSP)，是指用于数字信号处理的可编程 微处理器，是微电子学、数字信号处理、计算机技术这3 门学科综合研究的成果。在现代控 制领域中，自适应控制、扩展卡尔曼滤波、模糊控制、人工神经网络控制等已经得到广泛应 用。现代控制理论与全数字化控制技术相结合，成为高性能控制系统发展的必由之路。 DSP 以其高速计算能力和特殊的硬件结构已经在许多应用系统内取代了工控机和单片机，成为控 制系统的核心。世界上第一块DSP是1978年AMI公司的S2811, 1979年美国In tel公司宣布生产的
10、商 用可编程期间2920是DSP芯片的一个主要标志。但是这两种芯片内部都没有现代DSP所必 须的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的PD7720是第一片具有硬件乘法器的商用 DSP芯片。美国德州仪器公司(TI公司)在1982成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其 系列产品。作为交流伺服控制系统的核心，我们选用TMS320C2000系列芯片。TMS320C2000 DSP平 台将各种咼级数字控制功能集成在一块IC上。强大的数据处理和控制能力可以大幅度提咼 应用效率和降低功耗。TMS320F2812 DSP是工业界首批32位控制专用、内含闪存以及高达 150MIPS的数字信号处理
11、器，专门为工业自动化、光学网络及自动化控制等应用而设计。它 整合了 DSP和微控制器的最佳特性，能够在一个周期内完成32X32位的乘法累加运算，或 两个16X16位乘法累加运算。此外，由于器件集成了快速的中断管理单元，使中断延迟时 间大幅度减少，满足了适时控制的需要。二、研究内容1、研究方向：交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计2、研究内容：本设计主要完成以下内容：1. 设计一台小型直线电机的结构；2对交流直线电机伺服控制单元硬件结构的构建；3、进行交流伺服控制单元的软件程序编制。4. 解决防护、制动、运动限位等问题。3、成果形式：1、控制系统电路图1 张，2#；2、直线电机装配图1 张，1
12、#；3、直线电机零件图4 张，3#；4、控制程序流程图 1 张，1;5、控制程序。三、实现方法及预期目标1、初步方案：1、弄懂直线电机的矢量控制原理；2、掌握 DSP 的开发环境和编写控制程序；3、进行控制电路图的设计；4、进行直线电机结构设计。2、设计难点：1、本设计中采用C语言编程的方法，利用CCS3.1集成开发环境进行程序调试。2、由于属非自动化学生，DSP的开发环境、C语言需要从头学起。毕业设计的难度较 大。四、对进度的具体安排13周：调研，熟悉直线电机控制课题的研究方向、查阅有关中英文资料，写出调研报告，完成英文翻译；确定初步方案，写开题报告；第 4 周：完成开题报告； 翻译；控制原
13、理图；57 周：细化方案，编写程序，绘制电路草图等；810 周：完成进行直线电机结构设计。1115 周：教师审查修改图纸，安排加工；论文提纲；16周：毕业论文打印装订，完成上交，指导老师和评阅老师完成评阅，学生准备答辩； 17 周： 毕设论文答辩。五、参考文献：1、邵晓强.直线电机现状与发展方向.电气技术.2006年第7期： 58-602、袁江南. 永磁同步直线电机伺服控制与检测系统的应用研究: 硕士学位论文. 广东 工业大学硕士学位论文3、刘泉.数控机床用永磁直线电动机的关键技术研究：博士学位论文.北京北京理工大 学机械系4、徐月同.高速精密永磁直线同步电机进给系统及控制技术研究，博士学位论
14、文. 浙江大学；5、直线电机原理与应用, 机械工业出版社；6、现代永磁电机理论与设计，机械工业出版社；7、现代机构设计手册，机械工业出版社。8、中国机床工具工业协会1994年赴美、日考察工作组. 直线伺服电机传动和高速加 工 R.制造技术与机床，1995, 9: 45-46,48.)9、唐任远.现代永磁电机理论与设计.北京：机械工业出版社，199710、徐月同.高速精密永磁直线同步电机进给系统及控制技术研究：博士学位论文.浙 江大学11、李庆雷，王先逵，永磁交流同步直线电机位置伺服控制系统设计J，中国机械工 程，2001，No.5:577-58212、苗小燕，王小椿，永磁同步电机高转矩电流矢量
15、控制方法和系统J，电气传动， 1999.No.313、周扬中，胡育文，田蕉，永磁同步电机控制系统变比例系数转矩调节器设计研究 中国电机工程学报，2004，24(9)：204-20814、L.zhong, M.F.Rahman, W.Y.Hu, K.W.Lim, “Analysis of direct torque control in permanent magnet synchronous motor drives”, IEEE Trans.on P.E., 1997, 12(3): 528-53515、ShigeoMorimoto,MasayudiSanada,YojiTakeda,Eff
16、ectsandCompensationof MagneticSatuation in Flux-Weakening Controlled Permanent Magnet Synchronous Motor Drives, IEEETrans. on IA,1994,30(6)16、Gieras J F , Spannenberg A. Analysis of a Linear Synchronous Motor with BuriedPermanentMagnetsC.Conf.Rec.LDIA98,Tokyo,Japan,1998,4:323-326.17、王丽梅，罗睿夫，郭庆鼎.永磁交流同步直线电机伺服系统。微特电机，1997，25 (5)：日日月月年年指导教师： 督导教师： 领导小组审查意见
交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计
