高精度直线电机模型辨识及控制研究

发布时间：2017-10-01 13:21

  本文关键词：高精度直线电机模型辨识及控制研究

  更多相关文章： 永磁同步直线电机 纹波推力 端部效应 齿槽效应 PID 参数整定

【摘要】：永磁同步直线电机(PMLSM)能够直接提供直线推力,其直线型结构使它不受离心力的约束,同时取消了旋转电机与工作台之间的运动转换机构,因此在需要直线驱动的场合中,相比旋转电机,直线电机伺服控制系统可以获得更大的运行速度和加速度以及定位精度。直线电机的这些特性使它在军事、交通、工业等领域的应用前景广阔,特别是在数控机床中成果显著。但是也因为直线电机的一些不足限制了其控制系统性能的提高,例如摩擦力和齿槽力以及直线电机特有的端部效应等问题。因此,分析限制直线电机性能提高的原因并研究解决方法具有重要的意义。本文在电磁场分析的基础上,研究了纹波推力和摩擦力等干扰产生的原因及其模型,建立了永磁同步直线电机的动力学模型,并对其中重要的参数进行了辨识,最后针对速度环和位置环设计了控制器。首先,从电磁场的角度探讨了直线电机运行时推力出现波动的原因,通过解析法中的等效磁化电流方法建立PMLSM的气隙磁场模型,并通过有限元分析方法建立电机的几何模型得到了磁场分布曲线,证明纹波推力是端部效应和齿槽效应引起的。然后分析了摩擦力的形式及负载力、负载质量对直线电机的影响,并利用坐标变换推导出电磁推力方程,由此建立了完整的永磁同步直线电机的动力学模型。其次,对PMLSM动力学模型中的主要参数,通过带有遗忘因子的递推最小二乘算法来辨识;而对纹波推力和摩擦力,因为两者都是非线性形式,所以根据有限元分析法仿真得到的数据,用频谱分析方法辨识出它们的主要频率。最后,将永磁同步直线电机应用到控制系统中,研究了PMLSM闭环系统的控制策略,分别给速度环和位置环设计了PI和PID控制器,并且针对PID控制器的参数调节问题,采用了工程设计法和遗传算法两种方法来整定控制器的参数。最后,在理论分析的基础上,通过MATLAB搭建PMLSM的控制系统模型和编写m程序,通过ANSOFT电磁分析软件建立PMLSM的几何模型,仿真永磁同步直线电机的电磁场、模型辨识和系统控制过程,对上述理论、辨识算法和控制方法进行了验证。
【关键词】：永磁同步直线电机 纹波推力 端部效应 齿槽效应 PID 参数整定
【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】：2015
【分类号】：TM359.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题来源9
• 1.2 研究目的和意义9-11
• 1.3 国内外研究现状11-13
• 1.3.1 国外应用与研究11-12
• 1.3.2 国内应用与研究12-13
• 1.4 本文主要研究内容和结构框架13-16
• 第2章 永磁同步直线电机数学模型建立16-32
• 2.1 直线电机的结构和工作原理16-17
• 2.2 永磁同步直线电机气隙磁场模型17-22
• 2.2.1 常用的直线电机磁场分析方法17-18
• 2.2.2 等效磁化电流法分析结果18-20
• 2.2.3 有限元法分析结果20-22
• 2.3 永磁同步直线电机系统干扰分析22-26
• 2.3.1 齿槽效应和端部效应22-23
• 2.3.2 纹波推力分析与建模23-24
• 2.3.3 摩擦力分析与建模24-25
• 2.3.4 其他扰动力25-26
• 2.4 永磁同步直线电机动力学模型26-31
• 2.4.1 Park和Clarke坐标变换26-29
• 2.4.2 永磁同步直线电机动力学模型建立29-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 永磁同步直线电机模型参数辨识32-48
• 3.1 电机参数辨识常用方法32-33
• 3.2 纹波推力和法向力频率辨识33-38
• 3.2.1 Ansoft Maxwell仿真过程33-36
• 3.2.2 Ansoft Maxwell仿真结果36-38
• 3.3 永磁同步直线电机模型参数辨识38-43
• 3.3.1 输入信号的选择39-41
• 3.3.2 辨识算法的选择41-43
• 3.4 参数辨识仿真43-47
• 3.4.1 速度环模型参数仿真43-44
• 3.4.2 位置环模型参数仿真44-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 永磁同步直线电机闭环控制48-66
• 4.1 矢量控制和脉宽调制技术48-51
• 4.1.1 矢量控制48
• 4.1.2 空间矢量脉宽调制技术48-51
• 4.2 永磁同步直线电机的控制方法研究51-53
• 4.3 PID控制参数整定方法53-57
• 4.3.1 典型II型系统参数调节方法53-54
• 4.3.2 遗传算法PID参数寻优方法54-57
• 4.4 控制器设计及仿真57-65
• 4.4.1 速度环控制器设计及仿真57-61
• 4.4.2 位置环控制器设计及仿真61-65
• 4.5 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 罗天资;陈卫兵;邹豪杰;李忠良;;直线电机模糊增量PID控制算法的研究[J];测控技术;2011年02期

2 黄克峰;李槐树;周羽;;轴向充磁圆筒型永磁直线电机磁场解析[J];哈尔滨工程大学学报;2013年07期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 张颖;永磁同步直线电机磁阻力分析及控制策略研究[D];华中科技大学;2008年

2 唐勇斌;精密运动平台用永磁直线同步电机的磁场分析与电磁力研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

，

本文编号：953681