（优秀毕业全套设计）交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计（整套下载）

根据每个齿槽内嵌入绕组边数的不同，绕组可以分为单层绕组和双层绕组，每个齿槽内嵌入个绕组边时为单层绕组每个齿槽内签入两个绕组边，且分为上下两层时，为双层绕组。

单层绕组多为整距绕组，双层绕组多为短距绕组。

根据每相每极分布的绕组边数不同，绕组可分为集中绕组和分布绕组。

单层绕组每相每极仅有个绕组边时为集中绕组，双层绕组每相每极有多于两个绕组边时为分布式绕组。

分布式绕组对抑制谐波有好的效果，双层绕组多采用分布式绕组。

由于直线电机无法像旋转电机那样绕组线圈沿圆周分布，并最终首尾相连闭合，所以存在特有的端部效应。

而双层短距分布绕组端部效应相比单层整距集中绕组更为明显，所以我们选择单层整距集中绕组。

通电线圈与对应的极或者极永磁体产生电磁作用。

各线圈的感应力的方向相同时，合力才能最大，因此三相绕组的排列顺序不能随意变化。

如果采用单纯的绕组平移，结果会出现“混相”，这样感应力的方向相反，部分力相互抵消，所以是不可取的。

如果直接去掉槽中的线圈产生“空槽”，那么三相绕组的电参数出现不对称，会导致明显的推力波动，不符合电动机设计的基本要求。

本实验采用“绕组空槽法”，采用绕组重组产生空槽，保持原绕组各相的次序不变，仅变化空槽对应的绕组。

这种接线方式没有使绕组浑相，各槽电流方向也同原来样，保留了无空槽绕组的特性。

.次级结构设计次级主要由永磁体和纯铁底板组成。

年问世的稀土钕铁硼是第三代稀土永磁体，稀土钕在稀土矿中含量丰富，价格低廉。

钕铁硼永磁体的剩磁密度达到.，矫顽力达到，最大磁能积高达。

在定温度范围内的退磁曲线呈直线。

本实验设计的直线电机选择了我国生产的具有良好性能的稀土钕铁硼作为次极永磁体。

高性能钕铁硼稀土永磁材料的性价比远远高于其它永磁材料，目前是高磁场永磁电机的首选材料。

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，就受到人们的广泛重视，在理论应用方面进行了深入的研究。

从理论上讲，矢量控制是建立在被控对象准确的数学模型上，通过控制电机电枢电流实现电磁力矩控制。

电机所产生的电磁力矩平稳，电机可以运行的转速较低，调速范围较宽。

电机启动制动时，所有电流均用来产生电磁力矩，可以充分利用电机过载能力，提高电机启制动速度，保证电机具有优良的启制动性能。

直接转矩控制则不然，它只保证实际力矩与给定力矩的吻合程度，并根据力矩误差磁链误差及磁链所在扇区，选择主电路器件开关状态，使电机磁链按照指定轨迹运行。

电磁转矩及磁链滞环控制时，电机转矩不可避免地存在脉动，直接影响电机低速运行平稳性和调速范围。

另外，通过电机反电势积分求得定子磁链，这种磁链电压模型在低速时准确性很差，受逆变器死区时间电机电阻及电压检测误差的影响，影响电机低速运行性能，影响电机转速运行范围。

且电机静止需要启动时，因电机定子初始磁链位置未知，系统无法发出正确的控制信号，电机启动困难。

通常是将电机转子拉到固定位置再进行启动。

矢量控制技术经历三十多年研究完善历程，在调速系统中应用所获得的性能优异，不论在低速还是在高速，其抗扰特性启制动特性稳速特性均达到或者超过直流调速系统。

在高精度传动系统中，调速范围达﹕以上，使用矢量控制技术的通用伺服传动系统调速范围达﹕﹕。

而且目前，直接转矩控制用于控制永磁同步电机时，由于控制周期较长，电机定子电感又小，启动及负载变动过程中，电流冲击大，磁链及转矩脉动较大。

如果在永磁同步电机上实施直接转矩控制，必须要有足够短的控制周期，才可改善系统的动静态性能。

此外，低速情况下的磁链观测和转矩观测很难准确实现，转矩及磁链难以实现高性能控制，电机的速度调节范围不宽。

因此，在本实验中，我们选择矢量控制作为控制策略。

.交流永磁直线同步电机的数学模型交流永磁直线同步电机与旋转同步电机在数学模型上是统的，都可以按电机统理论进行分析。

取永磁体基波磁场的方向为轴，轴超前于轴度的方向，此坐标轴随电机转子以同步速旋转。

则三相永磁同步电动机的轴电压方程为上式中，磁链方程为带入上式可得上面各式中，轴电压，轴电压，轴电感定子相电阻转子电角速度永磁体基波磁链微分算子永磁同步直线电机的电磁推力为其中为电机极对数。

将磁链方程代入上式得设为定子电流合成空间矢量，则有与轴间的角度为，则有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。

位置环速度环电流环三环控制，其中三个闭环以传统的控制来实现。

到目前为止，控制仍然是历史最悠久生命力最强的基本控制方式。

因为控制有如下优点.控制原理简单，使用方便，并且已经形成了套完整的参数设计和参数整定的方法，比较容易掌握.控制算法蕴涵了动态控制过程中过去现在和将来的主要信息。

通过比例系数积分时间常数和微分时间常数的适当调整，可以达到良好的控制效果.控制适应性强，可以广泛应用于各个方面.控制鲁棒性较强，也就是说控制品质对控制对象特性的变化不十分敏感.可以根据不同的需要，针对自身的缺陷进行改进，并形成了系列改进的算法。

矢量变换控制理论基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量。

并使两分量相互垂直，彼此独立，分别进行调节。

对直线电机来说，初级的三相电压相构成了三相初级坐标系轴系，其中的三相绕组互差，如图所示。

在直线电机中互差的意义就是在水平方向上互差极距。

数学上习惯于用直角坐标系来表示个矢量，故又设定两相初级坐标系轴系，由三相初级坐标系到直角坐标系转换称之为变换，见公式。

由直角坐标系到三相初级坐标系的转换称之为逆变换，见公式。

从静止坐标系到旋转坐标系的变换是矢量控制的精髓所在，称之为变换，见公式。

反之称为逆变换，见公式。

是轴与轴的夹角。

以旋转电机的变换理论为基础。

从直线电机与旋转电机各部分结构组成来看，此处直线电机动子相当于旋转电机定子，反之直线电机定子相当于旋转电机动子。

所以在旋转电机中旋转坐标系固定在动子上，旋转坐标系随着电机转子起同步旋转。

而在直线电机中，由运动的相对性原理，动子的直线运动，可理解为定子相对于动子作反方向直线运动，因此“旋转坐标系”实际上此坐标系是直线运动的，应称之为直线运动坐标系则固定在定子上，和定子起相对于动子作直线运动，如图所示。

此时，直线电机动子向右作直线运动，其定子则相对于动子向左直线运动，固定在定子上的坐标系也和定子起相对于动子相对于动子向左运动。

动子内部的行波磁场相对于动子本身是向左运动，这样站在固定在定子上的坐标系上观察此同步电机的行波磁场则是静止的。

于是让轴位于次级永磁体极轴线上，轴则超前轴，也就是极距的。

由直线电机运动时动子所处的位置决定。

由光栅信号即可测得该数据。