将式和式带入式得电磁转矩方程为上式中第项是由定子电流合成磁场与永磁体励磁磁场相互作用产生的电磁转矩第二项是磁阻转矩，它是由转子凸极效应引起的，并与两轴电感参数的差值成正比。当时，上式为本永磁直线同步电机采用平板式结构，初级为三相分布绕组，次级为交替排列的永磁体。初级通入三相对称交流电时，产生的行波磁场和次级磁场相互作用产生直线推力。采用矢量控制策略，轴的电流分量和轴的电流分量之间的空间矢量夹角始终是，因此电机推力与近似成正比关系。.交流永磁直线同步电机的矢量控制永磁同步电机矢量控制的方法有控制控制最大转矩电流控制恒磁链控制等。控制可以降低与电机匹配的变频器的容量，适用于大功率交流同步电机调速系统。恒磁链控制可以增大电动机的最大输出转矩。比起控制，输出转矩要大倍。对于最大转矩电流控制，电机在输出力矩满足要求情况下定子电流最小，可以减小铜耗，提高效率，有利于逆变器开关器件的工作。是种比较优异的电流控制方法。但是，该控制方法运算复杂，运算量比较大，需要高性能的控制器方可胜任。对于控制，转矩只受定子电流轴分量的影响，简化了电机数学模型。对于要求产生转矩定的情况下，需要的定子电流最小，可以大大降低铜耗，提高效率，而且本直线电机属于中小功率类型，所以我们采用这种最常用最简单的控制方法。对于控制方法的实现，又可以分为电压前馈解耦控制和电压反馈解耦控制。电压前馈解耦控制是种完全线性解耦控制方案，可使完全解耦。但为获得该控制结果，必须实时检测电机速度与，并做和的乘法运算。由于测量精度和微处理器运算速度问题，其电流控制方案的实时性很难保证，从而要做到完全解耦很困难。电流反馈解耦控制是种近似的解耦控制，只要适当处理，可以使永磁同步电机在动态静态过程中获得近似解耦，能够得到快速高精度的转矩控制，且控制电路简单，实现方便，是目前普遍采用的电流解耦控制方法。本系统的电流控制采用电流反馈解耦控制方法。本课题采用全数字矢量控制算法。我国具有丰富的稀土资源，在成本方面具有发展高性能钕铁硼永磁电机的得天独厚的优势。次极永磁体通过气隙与初级绕组和铁心相互耦合，在初级绕组中产生磁链，磁链的变化产生空载反电动势。反电动势是电动机最重要也是最基本的设计参数和性能指标，对电机推力性能有重要影响。理想状态中，反电动势具有正弦形状的电动势波形，为了更加接近理想状态，磁钢的排列作了系列改进。本实验中电机的极距为，磁钢宽度是，厚。如图所示，通过有限元计算比较，取，时反电动势波形更为接近正弦波曲线，故在磁钢设计中采用此截面倒角设计。用同样的方法计算，发现磁钢成平行四边形斜排所产生的推力扰动要比矩形直排小，故在磁钢排列中也采用了平行四边形斜排设计，如图所示。把设计好的磁钢极性交替纵向排列粘贴在软铁板上。软铁板采用电工纯铁，它具有很高的饱和磁感应低的磁滞损耗。起减小磁漏提高气隙密度，从而增大推力的作用。.电机的装配由于本文所设计的直线电机属于大推力电机，磁钢对初级铁心有很强的吸引力，为了顺利把初级装配到直线导轨上，且保证设计的精度要求，我们采用如下装配方法将定子分成等长两段，先把导轨固定好，在侧安装固定定子磁钢和纯铁板，把初级动子推到没有安装磁钢的另侧。安装完毕后把动子顺着导轨推到已经固定好磁钢的侧，然后把另块定子磁钢安装固定。如图所示并在每个底座上设计个定位销孔，来给磁钢纯铁板定位，有效地避免了磁吸力的干扰，而且动子分段后，各段的尺寸变小，有利于动子的储运安装和防止变形。另外，定子磁钢对下方的铸铁底座也有很强的吸力，所以要有方便卸下定子的设计。本设计就是将定子分成等长两段，采用分别卸下的办法。在每段的纯铁板上置有若干螺孔，卸下时，先用螺栓将定子段顶离底座，然后水平拖出。第章交流永磁直线同步电机的数学模型和控制算法研究.交流永磁直线同步电机的控制策略的选择现阶段，同步电机的调速控制策略主要有两种，分别为矢量控制及直接转矩控制。为构成高性能伺服传动系统，首先要选择合适的控制策略。目前，直接转矩控制和矢量控制均有成功的应用实例，它们的应用研究仍在不断深入地进行着，不论何种控制方法，或多或少都会有其不足。但随着研究的深入，技术水平的提高，硬件条件的逐渐具备，许多问题都将会被解决。对于交流电机来说，目前使用最广泛并已在实际系统中应用的当属年由德国西门子公司的首先提出的矢量控制理论。此理论自诞生之日起，就受到人们的针对直线永磁交流伺服系统的控制器设计，主要应用了神经网络的学习能力和模糊控制器的逻辑判断和推理能力。其中模糊控制器专用芯片已经商品化，因其实时性好控制精度高，在伺服系统中已有应用。如图.是典型的模糊控制结构，这样根据输入差分等级不同建立相应的模糊控制规律或做相应的改进。神经网络的应用是与模型参考自适应控制相结合提出了模型参考自适应神经网络控制的种新型控制技术，它兼具了两者的优点，更进步提高了直线电机系统的伺服性能。专家控制般用于复杂的过程控制中，在伺服系统中研究较少。预计在不远的将来，智能控制策略必将成为交流直线电机伺服系统中最重要的控制方法之。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，以机作为基本平台，采用实现伺服控制。试验研究旋转电机的试验技术已经很成熟，但是很少有专门介绍直线电机试验技术的文献，试验研究又在直线电机技术发展中的起很大作用。由于结构和运行方式均不同于旋转电机，因此，直线电机的试验方法也有其特殊性，需专门设计试验台和试验方法。.本文主要研究内容本文研究了基于交流永磁直线同步电机的伺服控制单元，主要包括硬件的选型设计和软件控制算法的实现，并初步做了相关的验证性实验。主要内容包括．交流永磁直线同步电机伺服控制的总体方案分析．交流伺服控制单元硬件结构的分析和选型．交流永磁直线同步电机数学模型和控制算法的研究．全数字交流伺服控制单元的软件结构和控制界面研究第章交流永磁直线同步电机基本结构.实验用交流永磁同步电机基本结构本课题所用直线电机为我系自己设计开发的交流永磁同步直线电机，如图所示。此直线电机为平板式永磁同步直线电动机。在结构上主要由初级次级导轨传感器拖链等部分组成。初级和次级是直线电机产生推力的两个最重要的部件，他们的结构组成很大程度上决定了电机的性能。直线导轨起着支撑作用，使动子在运动中始终和定子保持固定的间隙。传感器主要有光栅磁极霍尔电流霍尔。.初级结构设计永磁同步直线电机的初级主要由电枢绕组和铝芯两大部分组成。电枢绕组由在同平面上按照定规律沿纵向排列并互相连接在起的多组线圈构成铝芯是被铣出具有定槽型和齿型绕组线圈有规律绕接在铝芯的齿槽中。电枢绕组由高耐热漆包线作为绕组线圈的导线，铝心既是绕组线圈的安装和支撑结构，也是电机的磁路组成部分。世界上第台在展览会上展出的直线电机驱动工作台的高速加工中心是德国公司于年在德国汉诺威欧洲机床展览会上展出的型加工中心，采用的是德国公司开发的感应式直线电机，各轴的移动速度高达，加速度可达。和公司在年代中期的合作最初实现了直线电机在机床上的应用。公司希望机床既高速高精度，又高柔性。合作的结果是公司推出了“高速模块”，结构如图.所示。其三轴都安装了公司的永磁式直线电机，获得很好的性能。国内些公司和研究所也开始涉足机床的高速化工作。在第八届展览会上，北京机电院高技术股份公司推出了我国第台采用直线电机驱动的加工中心立式加工中心，该机床采用了公司的型直线电机和数控系统，轴进给速度可达，加速度可达，主轴最高速。据有关预测十五年后，将有的数控机床的所有轴都安装直线电机。除了切削加工机床外，各种机械加工机床如激光切割等离子切割电火花加工等设备也开始应用直线电机。因此，高推力直线电机有着非常广阔的应用前景！直线电机伺服控制系统的研究综述目前旋转电机的伺服控制系统已经是很成熟的产品了，但作为种直线电机进给系统，主要技术还局限于国外的几家大公司，国内的研究也就是处于起步阶段，沈阳工业大学直线电机的控制算法及伺服控制系统进行了相关的研究取得定的成果。针对高速进给系统用永磁直线同步电机的伺服控制系统，要提高其性能就要从直线电机结构和电气控制两方面着手研究，这包括理论研究和试验研究。.从直线电机的理论设计上提出改进直线电机的性能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波纹齿槽效应和端部效应。为了减小推力波纹，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。.从伺服控制器的设计上改进直线电机的性能伺服控制系统是直线电机设计中的另个重点和难点。这是因为直线电机伺服系统运行时直接驱动负载，这样负载的变化就直接作用于电机外界扰动如工件或刀具质量切削力的变化等，也未经衰减就直接作用于电机电机参数的变化也直接影响着电机的正常运行直线导轨存在摩擦力直线电机还存在齿槽效应和端部效应。流后，也会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场图.。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，使初级和次级产生相对运动，这就是直线电机运行的基本原理。直线电机进给系统优缺点分析现代制造技术的高速加工系统中，直线电机系统已成为标志性元件，直线电机的特点在于能直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转伺服电机滚珠丝杠”相比具有以下优点具体性能见表．没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，因此没有金属和金属的接触，除了直线导轨外没有其它摩擦．结构简单，体积小，以最少的零部件数量实现直线驱动，而且是只有个运动的部件．行程理论上不受限制，而且性能不会因为行程的改变而受到影响．可以提供很宽的速度范围，从每秒几微米到数米，特别是高速是直线电机个突出的优点．加速度很大，最大可达．运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的缘故．精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级．维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。表直线电机与“旋转伺服电机滚珠丝杠”传动性能比较性能旋转伺服电机滚珠丝杠直线电机精度.重复精度.最高速度最大加速度静态刚度动态刚度速度平稳性调整时间寿命,任何事物都有两面性，直线电机也有自身的缺点，主要表现在以下几点．存在纵向端部效应首先，直线电机的结构特点导致绕组在电机中的几何位置不再具有对称性，对多相电机来说这种不对称性会造成各相参数的不对称性，从而引起电机性能的波动。另方面，磁场在纵向端部断开并衰减，使行波磁场的基波减弱而谐波得到加强，导致电机推力密度下降损耗增加，而且存在较大的推力波动。直线电机中由于纵向端部的存在而引起的各种效应称为纵向端部效应，直线电机的结构特点决定了纵向端部效应是不可避免的。．控制难度大直线电机虽消除了机械传动链所带来的