交流永磁直線電機(jī)及其伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

交流永磁直線電機(jī)及其伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),交流,交換,永磁,直線,電機(jī),機(jī)電,及其,伺服,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 交流永磁直線電機(jī)及其伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 開題報(bào)告 班級：機(jī)0405 姓名：何金樹 指導(dǎo)老師：劉泉 一 、綜述 1、研究的意義 直線電機(jī)技術(shù)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能而不需要通過中間任何轉(zhuǎn)換裝置的新穎電機(jī)，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、磨損少、噪音低、組合性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)所有的品種，直線電機(jī)技術(shù)幾乎都有相對應(yīng)的品種。其應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。在一些它能獨(dú)特發(fā)揮作用的地方，取得了非常令人滿意得效果。隨著微電子、電力電子技術(shù)、永磁材料技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)系統(tǒng)有了長足的進(jìn)步，國外著名電器（氣）公司相繼推出并不斷完善、更新各自的直線電機(jī)系統(tǒng)。其應(yīng)用十分廣泛，如列車驅(qū)動、物料運(yùn)送、機(jī)床工作、食品和輕工機(jī)械、自動繪圖儀、液壓金屬泵、空氣壓縮機(jī)、電磁炮、家用電器以及半導(dǎo)體器件等。與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國直線電機(jī)在技術(shù)上有很大的差距，在市場上有很大的潛力，[1]所以做這個(gè)題目有很大的實(shí)際意義。 2、直線電機(jī)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 直線電機(jī)的發(fā)展主要經(jīng)歷了探索、實(shí)驗(yàn)、開發(fā)應(yīng)用以及實(shí)用商品化四個(gè)階段: 探索階段(1886一1929) 19世紀(jì)末20世紀(jì)初，N.Tesla研究了一系列運(yùn)動電磁場方面的技術(shù)，并開始了直線電機(jī)方面的研究工作。值得注意的是，在該階段，部分研究者不僅從理論上研究了直線電機(jī)的驅(qū)動原理，并且進(jìn)行了各種應(yīng)用方面的初步研究，但大多數(shù)以失敗告終。如當(dāng)時(shí)用直線電機(jī)來推動織布機(jī)上的梭子，或作為鐵路列車的動力，均未獲得成功。直到1915年，蘇聯(lián)的齊亞夫完成了最早的水銀用電磁泵。把直線電機(jī)的原理性試驗(yàn)向前推進(jìn)了一大步。 實(shí)驗(yàn)階段(1930一1940) 在這個(gè)階段，直線電機(jī)受到更多重視，一度出現(xiàn)了直線電機(jī)熱。如1930年美國的Bachelet獲得雙邊型直線電機(jī)專利 ;1931年德國Einstein等人獲得直線電磁泵專利;1934年美國Hase完成直線電磁炮。在這個(gè)階段即將結(jié)束時(shí)，美國西屋公司發(fā)生了著名的電動牽引機(jī)(electropult)失敗事件。失敗的原因首先是其相關(guān)技術(shù)尚不完善，其次是沒有能夠充分掌握直線電機(jī)的特性。但是，西屋公司在實(shí)際應(yīng)用方面的嘗試給后人提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。 開發(fā)應(yīng)用階段(1945一1969) 這一階段可以說是直線電機(jī)的“文藝復(fù)興時(shí)期”。控制技術(shù)和材料技術(shù)的快速發(fā)展加快了直線電機(jī)的開發(fā)應(yīng)用。如日本基于直線電機(jī)的新干線技術(shù)的成功，使感應(yīng)式直線電機(jī)開始應(yīng)用在高速鐵路上。1963年后，隨著控制技術(shù)和材料性能的顯著提高，出現(xiàn)了一些應(yīng)用直線電機(jī)的實(shí)用機(jī)械。如1963年日本鐘通先生成功研制雙邊型直線電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺;1965年美國 SkinnerPreci公司開始出售圓柱型直線電機(jī);1968年開始出現(xiàn)直線步進(jìn)電機(jī)，并應(yīng)用在自動繪圖儀上;還有MHD泵，磁頭定位驅(qū)動裝置，電唱機(jī)，縫紉機(jī)，空氣壓縮機(jī)，輸送裝置等等。 實(shí)用商品化階段(1970一至今) 從1970年開始，直線電機(jī)終于進(jìn)入了使用商品化時(shí)代。例如在核動力的發(fā)展過程中，需要抽吸鈉鉀混合物之類的液態(tài)金屬，產(chǎn)生了作為輸送和攪拌液態(tài)金屬的直線電機(jī)電磁泵。隨著超高速運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展，直線電機(jī)應(yīng)用于磁浮列車，以及鋼管輸送機(jī)，運(yùn)煤機(jī)，電動門，電動窗，電動編織機(jī)，起重機(jī)，空壓機(jī)，沖壓機(jī)，電梯等。[2] 3．直線電機(jī)的控制介紹 永磁直線同步電機(jī)由于采用永磁體勵磁，在有槽電機(jī)中會產(chǎn)生推力紋波、齒槽效應(yīng)和端部效應(yīng)。為了減小推力紋波，應(yīng)使永磁同步直線電機(jī)的初級電流和空載反電勢波形盡量接近正弦形。構(gòu)造正弦波形氣隙磁密或選擇合適的次級磁鐵形狀及布置方式都能使初級反電勢波形接近正弦波形。提高電機(jī)推力密度的同時(shí)如何減小齒槽力是永磁直線電機(jī)要解決的問題，研究表明通過優(yōu)化永磁體極距寬度、采用磁鋼斜排、增大氣隙、采用無槽結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鐵心長度等措施可以減小或消除齒槽力，但某些措施的采用會造成其它性能的減弱。為了研究端部效應(yīng)對電機(jī)性能的影響，許多學(xué)者在建立直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)將端部效應(yīng)的因素考慮進(jìn)去，減小端部效應(yīng)可以從結(jié)構(gòu)（如加入補(bǔ)償繞組、改變端部形狀）和控制（端部效應(yīng)補(bǔ)償）兩方面采取措施。 基于上述控制芯片能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制，目前直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)采用的控制策略分析如下： 1．傳統(tǒng)的控制策略 在直線永磁交流伺服電機(jī)系統(tǒng)中存在著多個(gè)電磁變量和機(jī)械變量，在這些變量之間存在較強(qiáng)的耦合作用，為了提高控制效果，在交流伺服系統(tǒng)中通常要求實(shí)現(xiàn)矢量控制，矢量控制就是將三相電流矢量分解為兩個(gè)獨(dú)立的電流分量，以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。一般是使磁場分量為零，使輸出力與交軸電流具有線性關(guān)系。電流矢量與速度反饋回路也有耦合作用，在動態(tài)過程中，可以采用解耦控制算法加以解決，使各變量間的耦合減小到最低限度，以使各變量都能得到單獨(dú)的控制。 2．現(xiàn)代控制方法 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對各種機(jī)械零件的加工精度要求愈來愈高，必須考慮控制對象參數(shù)乃至結(jié)構(gòu)的變化、非線性的影響、運(yùn)行環(huán)境的改變以及環(huán)境干擾等時(shí)變的不確定因素，才能得到滿意的控制效果。在實(shí)際應(yīng)用需求的呼喚下，在計(jì)算機(jī)高速度、低成本所提供的良好物質(zhì)條件下，一系列現(xiàn)代控制方法應(yīng)運(yùn)而生，并應(yīng)用于實(shí)際中，如非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、預(yù)見控制、魯棒控制、辨識算法。現(xiàn)代控制算法都有很強(qiáng)的針對性和復(fù)雜的算法，選擇時(shí)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場合和控制性能要求選擇相應(yīng)的控制策略。 3．智能控制算法 從60年代起，為了提高控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力，人們開始注意將人工智能技術(shù)與方法應(yīng)用于控制系統(tǒng)。對控制對象、環(huán)境與任務(wù)復(fù)雜的系統(tǒng)宜采用智能控制方法。 綜上所述，可以看出直線電機(jī)的控制算法運(yùn)算量較大，而且在高速加工進(jìn)給系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)。因此，要提高直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的總體性能，應(yīng)選擇高性能的運(yùn)算單元和伺服控制方案。在高速加工中心進(jìn)給系統(tǒng)中通常采用全數(shù)字驅(qū)動技術(shù)，以PC機(jī)作為基本平臺，采用DSP實(shí)現(xiàn)伺服控制。 4. DSP處理器 數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP），是指用于數(shù)字信號處理的可編程微處理器，是微電子學(xué)、數(shù)字信號處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)這3門學(xué)科綜合研究的成果。在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中，自適應(yīng)控制、擴(kuò)展卡爾曼濾波、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代控制理論與全數(shù)字化控制技術(shù)相結(jié)合，成為高性能控制系統(tǒng)發(fā)展的必由之路。DSP以其高速計(jì)算能力和特殊的硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)在許多應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)取代了工控機(jī)和單片機(jī)，成為控制系統(tǒng)的核心。 世界上第一塊DSP是1978年AMI公司的S2811，1979年美國Intel公司宣布生產(chǎn)的商用可編程期間2920是DSP芯片的一個(gè)主要標(biāo)志。但是這兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP所必須的單周期乘法器。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。美國德州儀器公司（TI公司）在1982成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品。 作為交流伺服控制系統(tǒng)的核心，我們選用TMS320C2000系列芯片。TMS320C2000 DSP平臺將各種高級數(shù)字控制功能集成在一塊IC上。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和控制能力可以大幅度提高應(yīng)用效率和降低功耗。TMS320F2812 DSP是工業(yè)界首批32位控制專用、內(nèi)含閃存以及高達(dá)150MIPS的數(shù)字信號處理器，專門為工業(yè)自動化、光學(xué)網(wǎng)絡(luò)及自動化控制等應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它整合了DSP和微控制器的最佳特性，能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成32×32位的乘法累加運(yùn)算，或兩個(gè)16×16位乘法累加運(yùn)算。此外，由于器件集成了快速的中斷管理單元，使中斷延遲時(shí)間大幅度減少，滿足了適時(shí)控制的需要。 二、研究內(nèi)容 1、研究方向：交流永磁直線電機(jī)及其伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2、研究內(nèi)容：本設(shè)計(jì)主要完成以下內(nèi)容： 1. 設(shè)計(jì)一臺小型直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)； 2．對交流直線電機(jī)伺服控制單元硬件結(jié)構(gòu)的構(gòu)建； 3. 進(jìn)行交流伺服控制單元的軟件程序編制。 4. 解決防護(hù)、制動、運(yùn)動限位等問題。 3、成果形式： 1、控制系統(tǒng)電路圖1張，2#； 2、直線電機(jī)裝配圖1張，1#； 3、直線電機(jī)零件圖4張，3#； 4、控制程序流程圖1張，1＃; 5、控制程序。 三、實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo) 1、初步方案： 1、弄懂直線電機(jī)的矢量控制原理； 2、掌握DSP的開發(fā)環(huán)境和編寫控制程序； 3、進(jìn)行控制電路圖的設(shè)計(jì)； 4、進(jìn)行直線電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2、設(shè)計(jì)難點(diǎn)： 1、本設(shè)計(jì)中采用C語言編程的方法，利用CCS3.1集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序調(diào)試。 2、由于屬非自動化學(xué)生，DSP的開發(fā)環(huán)境、C語言需要從頭學(xué)起。畢業(yè)設(shè)計(jì)的難度較大。 四、對進(jìn)度的具體安排 1～3周：調(diào)研，熟悉直線電機(jī)控制課題的研究方向、查閱有關(guān)中英文資料，寫出調(diào)研報(bào)告，完成英文翻譯；確定初步方案，寫開題報(bào)告； 第4周：完成開題報(bào)告； 翻譯；控制原理圖； 5～7周：細(xì)化方案，編寫程序，繪制電路草圖等； 8～10周：完成進(jìn)行直線電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 11～15周：教師審查修改圖紙，安排加工；論文提綱； 16周：畢業(yè)論文打印裝訂，完成上交，指導(dǎo)老師和評閱老師完成評閱，學(xué)生準(zhǔn)備答辯； 17周： 畢設(shè)論文答辯。 五、參考文獻(xiàn)： 1、邵曉強(qiáng).直線電機(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展方向.電氣技術(shù).2006年第7期：58-60 2、袁江南.永磁同步直線電機(jī)伺服控制與檢測系統(tǒng)的應(yīng)用研究: 碩士學(xué)位論文. 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 3、劉泉.數(shù)控機(jī)床用永磁直線電動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究：博士學(xué)位論文.北京北京理工大學(xué)機(jī)械系 4、 徐月同.《高速精密永磁直線同步電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)及控制技術(shù)研究》，博士學(xué)位論文. 浙江大學(xué)； 5、《直線電機(jī)原理與應(yīng)用》, 機(jī)械工業(yè)出版社； 6、《現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)》，機(jī)械工業(yè)出版社； 7、《現(xiàn)代機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》，機(jī)械工業(yè)出版社。 8、中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會1994年赴美、日考察工作組. 直線伺服電機(jī)傳動和高速加工 [R]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 1995, 9: 45-46,48.） 9、唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997 10、徐月同..高速精密永磁直線同步電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)及控制技術(shù)研究：博士學(xué)位論文. 浙江大學(xué) 11、李慶雷，王先逵，永磁交流同步直線電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，中國機(jī)械工程，2001，No.5:577-582 12、苗小燕，王小椿，永磁同步電機(jī)高轉(zhuǎn)矩電流矢量控制方法和系統(tǒng)[J]，電氣傳動，1999.No.3 13、周揚(yáng)中，胡育文，田蕉，永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)變比例系數(shù)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)研究，中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（9）：204-208 14、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): 528-535 15、Shigeo Morimoto, Masayudi Sanada,Yoji Takeda, Effects and Compensation of Magnetic Satuation in Flux-Weakening Controlled Permanent Magnet Synchronous Motor Drives, IEEE Trans. on IA,1994,30(6) 16、Gieras J F , Spannenberg A. 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