永磁直线同步电机推力波动补偿方法研究

发布时间：2020-08-17 13:36

【摘要】：永磁直线同步电机(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM)具有高速度、高精度、高推力密度和高动态响应等特点,被广泛应用到各类精密加工领域如光刻机、高档数控机床等。永磁直线同步电机取消了旋转式的机械传动机构,可以实现直驱式运动,减小了由摩擦力等带来的机械损耗。然而,这种直驱式结构也会使得各种外部扰动如推力波动等会无缓冲地加到直线电机上,使得电机的抗外部力扰动能力下降。如何减小推力波动给直线电机运行带来的影响,是保证直线电机优良性能的关键所在。本文采用优化设计控制系统的方法,减小外加推力波动给直线电机运行所带来的影响。首先,本文从推力波动的成因着手,对各类推力波动进行了数学建模。为对推力波动进行数据分析,设计了推力波动数据采集方法,并针对推力波动数据设计了离线辨识方案,得到了推力波动的近似数学模型。其次,为了实现推力波动的在线观测,本文建立了直线电机运动系统的状态空间表达式,据此设计了两种推力波动观测器,分别是恒定增益的龙伯格观测器和变增益的卡尔曼滤波器。对卡尔曼滤波器的算法建立过程、参数设计和稳定性分析进行了详细介绍。利用观测器得到的推力波动数据进行电流补偿,以减小推力波动给直线电机运行带来的影响。再次,针对传统卡尔曼滤波器所具有的计算量大这一缺陷,从直线电机数学模型入手,设计了一种增量式的卡尔曼滤波器,可以实现观测器的降阶运算。针对改进后的推力波动观测器,设计了一种先验式的参数设计方法。最后,在理论分析的基础上,搭建了直线电机的驱动控制平台,对控制系统的硬件电路设计和软件系统设计进行了介绍。在此平台上利用力传感器测量得到了直线电机的推力波动真实值,用作对比实验。在平台上进行了推力波动数据采集实验,对数据进行了离线辨识得到了近似数学模型,再进行在线前馈补偿,分析了其对直线电机运行平稳性的提高。在此基础上,分别进行了以常规和改进后的卡尔曼滤波器作为推力波动观测器的推力波动补偿实验,对比分析了其性能和系统计算负荷。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM341
【图文】：

稳态速度,补偿法,查表,推力波动

与这一方法类似，文献[7]利用有限元计算的方法对定位力进行了建模，利用建模结果建立了推力波动补偿表，在电机运行过程中，利用补偿表的数据进行了在线补偿，实验结果如图1-1所示，补偿后的速度波动下降到了补偿前的约60%。a) 补偿前 b) 补偿后图 1-1 查表补偿法的稳态速度响应上述两种方法均属于查表法，而查表法所具有的缺陷便是需要占用系统内存来进行推力波动数据的存储，为了避免这一问题，相关领域学者开始对推力波动的数学建模展开了研究。文献[8]提出一种在开环直线电机系统中，施加直

波形,轴电流,数据采集

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文续表 2-1参数值单位磁链 0.24 Wb极距 12 mm极对数 1 /母线电压 310 V仿真设定速度指令为梯形波，稳态速度为 0.01m/s，加速时间为 0.05s间为 20s，动子移动的距离为 0.2m，根据实验室以往研究结果，将定为( ) 1.34 2.29sin 6.27sin 2 1.01sin 4rF x x x x (得到的 q 轴电流波形如图 2-9 所示，该图省略了加速段，仅保留了匀据。结合极距 τ=0.012m，理论上图中应该有 0.2/0.012≈16.6 个推力波通过观察可以看出，与理论分析相符，验证了匀速段的 q 轴电流可以力波动的特性。

频谱分布,傅里叶分析,轴电流

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文—iq的信号长度流经过傅里叶分析后的频谱分布如图 2-10 所示。其中基A，可以看出，q 轴电流具有 4 个明显的低频高幅值分量 3 个低频高幅分量相比于基频的幅值百分比分别为 59.75。结合推力系数 Kf，易得 4 个低频高幅分量的幅值分别约.2580 和 1.0163，基本与设定值对应。仿真结果表明对匀速傅里叶分析得到电流各频次分量，再结合电机推力系数表达式。

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