徐月同[1]2004年在《高速精密永磁直线同步电机进给系统及控制技术研究》文中提出本论文以研究永磁直线同步电机进给系统与控制方法为主要目的，吸收相关学科的新思想、新理论、新技术，建立了永磁直线同步电机进给系统，并采用理论研究、计算机仿真与实验研究相结合的研究方法，系统地进行了动力学分析、优化、控制和相应的技术基础研究与实验研究。 第一章，阐述了本论文研究的背景与重要意义，详细介绍了永磁直线同步电机直线进给系统的研究及发展现状，概述了论文研究的主要内容。 第二章，在分析永磁直线同步电机空间矢量变换规律基础上，建立了永磁直线同步电机的数学模型，重点推导了永磁直线同步电机d-q轴模型及推力公式，最后得出了永磁直线同步电机转子磁链定向控制的方式及原理。 第叁章，在分析永磁直线同步电机进给系统的受力状况基础上，建立了进给系统简化的动力学方程，提出了采用优化进给系统结构降低扰动力方法，并对边端力、齿槽力及滑动摩擦力进行有限元计算及拟合，最后提出了采用扰动力观察器补偿残余扰动力及应用状态估计器辨识模型参数方法。 第四章，详细介绍了试验永磁直线同步电机进给系统软、硬件系统，提出了确定初始位置角方法，介绍了永磁直线同步电机进给系统正向运动、制动及反向运行原理，阐述了进给系统的各控制环及低通滤波器的作用及选择原则。 第五章，以H_∞控制策略理论为基础，根据进给系统模型不确定性及扰动力状况，重点研究了确定权重函数的方法，设计了混合H_∞速度控制器，理论分析了速度控制器的稳定性与抗扰动能力，仿真结果表明与PI控制器相比，H_∞速度控制器在永磁直线同步电机进给系统上具有较大的优点，并在实验室进行了初步实验。 第六章，针对永磁直线同步电机进给系统存在许多非线性环节，从运动方程及运动量之间的内在关系出发，分步设计全局稳定的非线性位置控制器，采用Lyapunov直接法对设计的非线性控制器进行了稳定性分析，表明设计位置控制器是渐近稳定的，仿真结果表明非线性控制器运动性能指标优于广泛应用的内嵌式PI控制器。 第七章，构建了进给系统定位精度和重复定位精度测试系统，进行了定位精度和重复定位精度进行检测与分析，实验验证了补偿后的定位系统基本上消除了由于制造、安装等原因引起的线性误差，提高了进给平台的定位精度，并把永磁直线同步电机应用于平面磨床的进给系统，实验表明永磁直线同步电机进给系统具有很高的实际应用价值。 第八章，对本论文的研究工作和研究成果进行了总结，展望了未来的研究工作。
陆华才[2]2008年在《无位置传感器永磁直线同步电机进给系统初始位置估计及控制研究》文中进行了进一步梳理随着装备制造技术的不断进步,传统的进给系统越来越不能满足高速、高精密机械加工的要求,而永磁直线同步电机(PMLSM)直接进给技术以高速、高精密、快响应、大行程等优异的特性,在高速、高精密机械加工设备中得到了广泛的应用。但现有永磁直线同步电机进给系统中都需要机械位置传感器,位置传感器的存在不仅增加了成本,降低了系统可靠性,而且还带来了安装和维护的困难。因此研究成本低、性能良好的无位置传感器永磁直线同步电机进给系统成为近年来的一个研究热点。本文结合国家自然科学基金资助项目“无位置传感器的高速精密直接进给系统研究(No.50475101)”为背景,以解决永磁直线同步电机进给系统无位置传感器控制关键问题为主要目的,建立永磁直线同步电机进给系统无位置传感器控制系统,并采用理论研究、计算机仿真与实验研究相结合的研究方法,系统地进行算法分析、比较和优化及相应的技术基础研究与实验研究。第一章。阐述本论文研究的背景与重要意义,详细介绍永磁直线同步电机进给系统无位置传感器矢量控制的研究及发展现状,并指出永磁直线同步电机矢量控制与无位置传感器技术存在的关键问题,概述论文研究的主要内容。第二章,在分析永磁直线同步电机空间矢量变换规律基础上,建立永磁直线同步电机的d-q轴模型和α-β轴模型,提出PMLSM无位置传感器矢量控制整体方案。同时,利用Matlab/Simulink软件,构建PMLSM无位置传感器矢量控制仿真系统的基本模块,为后续的研究奠定基础。第叁章,分析进给系统初始位置估计对于无位置传感器PMLSM进给系统矢量控制的重要性及对电机平稳启动的必要性。提出利用绕组磁饱和效应检测进给系统初始位置的方法,并用有限元方法分析求解PMLSM的绕组电感饱和特性,得到电感(电流响应)和位置的关系。阐述施加电压脉冲矢量检测初始位置方法的实现过程。实验结果表明,该方法检测精度可以达到7°电角度,完全满足平稳启动的要求。第四章,提出中高速时利用基于反电势积分的估计算法,低速时利用状态增广的扩展卡尔曼滤波估计算法,并利用加权的方法实现两种算法的平滑过渡,取长补短地构成一种复合估计算法。仿真结果表明,构建的复合估计算法在全速范围内具有较好的动、静态性能,受电机参数影响较小,能较好地估计电机速度和位置。第五章,在分析PMLSM进给系统各种控制方法优缺点的基础上,针对无位置传感器控制反馈信号是通过估计得到的特点,设计无位置传感器PMLSM进给系统滑模变结构速度控制器和滑模变结构最优位置控制器,并分析所设计的速度和位置控制器的稳定性与抗扰动能力。仿真结果表明,设计的控制器具有很强的鲁棒稳定性和较好的抗扰动性能。第六章,构建无位置传感器PMLSM进给系统软、硬件系统,重点阐述电压电流检测装置的构成和工作原理、高速数字信号处理器(DSP)及其外围电路的构成和原理,以及采用DSP实现无位置传感器PMLSM进给系统速度和位置估计算法的软件实现方法。进行无位置传感器进给系统速度和位置估计实验,并和实测值进行比较和分析。结果表明,速度与位置估计值和实测值基本一致。第七章,对本论文的研究工作和研究成果进行总结,展望未来的研究工作。
牟晓杰[3]2012年在《扁平型永磁直线同步电机进给系统热态特性的研究》文中提出传统的进给系统越来越不能满足高速、高精密机械加工的要求,而永磁直线同步电机以高速度、高精密、大推力、快响应等优异的特点,在数控机床设备中得到了越来越广泛的应用。本文结合浙江省重点科技创新团队建设项目“高档数控机床及其关键技术”(No.2009R50008)的研究任务,通过对直线电机受力特性、发热以及散热特点等关键技术的研究,建立了扁平型永磁直线同步电机温度场的叁维计算模型,并完成了直线电机热态特性的实验研究。本文首先详细介绍了国内外直线电机进给系统以及热态特性的研究现状和发展趋势,阐述本课题的背景和意义,提出论文的主要研究内容。论文详细阐述了永磁直线同步电机矢量变换规律,并推导了永磁直线同步电机d-q模型及推力公式,然后介绍了磨削力的基本理论。在此基础上,针对两种不同工况分别对直线电机进给系统进行了动力学分析,进而计算出了电机的平均有效电流。随后介绍了电机热交换的相关理论,为电机温度场的计算提供理论依据。论文以建立扁平型直线电机温度场的叁维计算模型为核心研究内容,并重点论述了建立模型、确定生热率和边界条件等过程。然后采用ANSYS有限元分析软件对电机运行时温度场进行仿真分析,仿真结果表明空载工况下直线电机的温升是有限的,磨削工况下直线电机温升较高。最后,对空载工况下直线电机的热态特性进行了实验研究,实验验证了理论模型的正确性。在磨削工况下直线电机的温升很严重,需要进行结构优化并设计合理的冷却系统。
余佩琼[4]2008年在《新型进给系统—永磁直线同步电机的磁极位置及速度估计算法研究》文中指出永磁直线同步电机进给系统具有很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、高的定位精度、平滑的无差运动,能满足高速精密数控机(床)高速高精度的要求。然而,由于该进给系统位置传感器的存在,使系统成本增加、运行可靠性下降、使用范围受限、及系统尺寸增加等。将无位置传感器控制技术引入永磁直线同步电机进给系统,无疑可以克服直接进给系统中位置传感器带来的局限。本论文以研究新型进给系统——永磁直线同步电机(PMLSM)的磁极位置与速度估计算法为主要目的,结合国家自然科学基金资助项目“无位置传感器的高速精密直接进给系统研究”(No.50475101)等科研项目,采用理论研究、计算机仿真与实验研究相结合的研究方法,建立PMLSM的磁极位置与速度估计器,并系统地进行了算法分析、比较和优化及相应的技术基础研究与实验研究。首先,介绍国内外PMLSM控制技术及其无位置传感器控制系统的研究及发展现状,综述国内外旋转永磁同步电机位置与速度估计方法。在分析PMLSM的坐标系及坐标变换原则的基础上,沿用旋转永磁同步电机原理,得到PMLSM在叁种坐标系下的数学模型。提出基于位置与速度估计器的PMLSM无位置感器运行系统,并建立PMLSM无位置传感器运行系统的状态方程。其次,针对PMLSM进给系统存在系统参数摄动、负载扰动等不确定因素,基于“无穷大质量”的假设条件,建立用于状态估计器的PMLSM动态模型,用以克服电机系统的机械参数变化。PMLSM进给系统具有较强的非线性,结合非线性估计理论及滤波技术,提出以扩展卡尔曼滤波器(EKF)作为电机磁极位置与速度的状态估计器,并深入研究EKF位置与速度估计器的性能。由于UKF采用UT变换来处理系统的非线性变换,能克服EKF非线性模型一阶线性化存在的不足,UKF在许多非线性估计领域取得了成功应用,且估计性能优于EKF。本文将UKF应用于PMLSM进给系统的位置与速度估计,仿真研究基于UKF的永磁直线同步电机的磁极位置与速度估计器的估计性能,并对EKF和UKF两种估计器的性能进行对比分析。粒子滤波方法作为一种基于贝叶斯估计的非线性滤波算法,在处理非高斯非线性系统的状态滤波问题方面有独到的优势。对粒子滤波在PMLSM进给系统的位置及速度估计中的应用进行探索性研究。详细阐述基于序贯重要性抽样的粒子滤波算法:设计基于PF的PMLSM进给系统的磁极位置与速度估计器,通过计算机仿真实验,对基于PF、UKF及EKF的PMLSM磁极位置与估计器的性能进行对比。最后,在已有的PMLSM进给系统的基础上,研制PMLSM叁相相电压和相电流测量装置;同时,在不同工况下,采用EKF、UKF估计器对PMLSM进给系统磁极位置与速度进行估计实验,并把实验结果与直接测量的实验结果进行比较和分析。
刘强[5]2015年在《进给系统用双边磁通切换永磁直线电机研究》文中研究说明直线型磁通切换永磁电机(Linear Flux Switching Permament Machine,LFSPM电机)与开关磁阻电机有着共同的基本工作原理,双凸极的结构以及初级永磁使LFSPM电机具有相对较低的制作成本,永磁型的励磁形式使其具备了永磁电机类似的磁场变化规律及其一系列的优良特性。基于加工过程对于精密加工进给系统的推力和精度要求,本文提出了一种适用于进给系统的具有多极和双边结构的直线型磁通切换永磁电机(Double-sided Linear Flux Switching Permanent Magnet Machine,DLFSPM电机),并对电机的各项参数性能进行了设计和优化。首先,介绍了DLFSPM电机的演变过程,分析了电机的电动运行和发电运行原理,并对电机的运行原理进行了有限元验证,仿真了电机的永磁磁链、反电动势、推力、定位力等主要特性。选择了初级永磁型双边型直线电机作为进给载体,并确定了电机的基本结构。利用有限元方法对DLFSPM电机的各项性能进行了计算和分析,并对电机的定位力及推力波动的抑制方法进行专题研究。研究了电机的不平衡电磁力,建立了电机的不平衡电磁力的数学模型,并对该电机在各种参数变化的情况下的不平衡电磁力进行了仿真分析。研究了DLFSPM电机加工过程的要点及流程,依托课题组搭建的驱动控制系统进行了电机的试验。本论文主要研究成果包括以下几个方面：■根据进给系统对直线电机的性能要求,选择了动子初级永磁型结构,确定了DLFSPM电机的动子齿数和定子齿数,并确定了电机的相间距等主要参数。利用有限元方法优化了永磁体磁化方向长度、气隙长度、电流等对于DLFSPM电机的磁链、反电动势、定位力、电磁推力的影响。最后综合确定了电机的尺寸及参数。■基于DLFSPM电机的双边型结构,利用定子齿非对称分布的方法(ADST)和定子齿错位(SSPT)对DLFSPM电机的定位力进行优化。利用有限元的方法计算了低速状态下DLFSPM电机的铁芯损耗,并利用铁芯损耗的方法计算了考虑了磁滞效应的定位力,通过比较定位力优化前后电机的各项性能,验证了定位力优化方法的正确性。■建立了DLFSPM电机单齿的不平衡电磁力的模型。得出了不平衡电磁力产生的机理,推导出了DLFSPM电机的不平衡电磁力的表达形式。仿真了在电枢磁场单独作用及永磁磁场单独作用下以及共同作用下的不平衡电磁力,分析了不平衡电磁力的特点。■研究了DLFSPM电机的加工要点及加工制造流程。依托DLFSPM电机驱动控制系统的试验平台和控制系统的硬件电路,对设计的DLFSPM电机驱动控制系统进行了试验测试,验证了DLFSPM电机设计方案的准确性和可行性。
姜军鹏[6]2012年在《两轴高速直驱伺服进给系统控制策略与实验平台》文中研究指明高速加工使得传统机床行业出现了一次变革，原有的机床结构、主轴系统、伺服进给系统、数控系统以及加工工艺等都随之发生巨大变化，在这些变化中以伺服进给系统最为突出。直线电机直接驱动方式以其高速、高效、高精的特点被普遍认为是高速伺服进给系统的最佳选择。但是直线电机本身存在的端部效应和磁路开断现象使得其推力存在波动，同时，直线电机直接驱动系统由于缺少中间传动环节的缓冲作用，使得外界扰动信号的作用效果直接而明显，导致直线电机伺服系统控制困难。因此，研究直线电机伺服进给系统的控制策略具有重要的理论意义及工程实用价值。本文以两轴高速直驱伺服进给系统为研究对象，设计并搭建了永磁直线同步电机伺服进给实验平台，并以此为基础开展相应的控制理论与方法研究，并进行了实验验证。全文主要工作及成果如下：在系统分析永磁同步电机结构与工作原理的基础上，运用坐标变换法建立了同步电机数学模型，并基于此构建了两轴伺服进给系统传递函数模型。滑模变结构控制器设计与鲁棒性控制方法。在系统归纳连续系统和离散系统滑模控制器的工作原理及组成结构基础上，综合运用极点配置技术，系统研究了滑模控制器的切换面和趋近律，采用不连续控制策略，基于两轴伺服进给系统的数学模型设计了滑模变结构位置控制器；针对伺服控制系统存在的系统结构不确定性及外部扰动等问题，提出控制信号修正方法，通过增加补偿信号来应对结构不确定及输入信号的未知扰动。通过卡尔曼滤波有效抑制系统抖振；基于Matlab/Simulink进行了系统仿真实验，仿真实验结果验证了本文开发的滑模变结构控制器在直线电机伺服系统控制方面的有效性和鲁棒性。伺服进给系统自抗扰控制器设计与控制器参数整定。在系统分析自抗扰控制器的原理及结构组成基础上，将“基于误差消除误差”的策略用现代控制思想加以改进，针对两轴伺服进给系统，设计面向直线电机未知扰动的自抗扰控制器，采用试凑法对控制器参数进行了整定，通过仿真手段测试并验证了控制器的控制能力。基于永磁直线同步电机的伺服进给实验平台。运用高性能双边型永磁直线同步电机、高精度光栅尺、PMAC运动控制器、PLC控制系统、可控液压加载系统/可控电磁加载系统等为主要设备的两轴定位与加载实验平台。在上位控制层面，基于LabVIEW/G语言开发了实验平台总控模块；在运动控制层面，基于PMAC/PEWIN开发了2轴运动控制程序；在加载控制层面，开发了针对直线与圆周加载系统软件模块；上述实验平台除通常意义的伺服进给系统实验外，可完成控制策略的切换以及多种形式的变载荷加载实验。单轴电机特性、控制策略与综合加载实验。基于上述实验平台，开展了单轴直线电机特性实验和两轴进给系统综合实验，包括：单轴空载特性实验、单轴可变载荷实验、双轴变载实验等，通过实验结果的分析对直线电机单机特性和两轴进给特性进行讨论，并对全文提出的控制策略及具体方法进行了实验验证。
赵鑫[7]2008年在《基于L_2增益的直线进给系统的鲁棒控制器研究》文中认为直线电机进给系统取消了从电动机到工作台之间的一切中间传动环节,把进给系统传动链缩短到零,实现了进给系统的“零传动”,使得直线伺服电机驱动系统得到了广泛的应用。扰动是造成系统伺服性能下降的主要因素。为了提高系统的伺服性能,使系统具有优良的工作品质,必须对扰动加以抑制。L_2增益非线性鲁棒控制是用一个结构和参数固定不变的控制器,保证在扰动对系统影响最严重的情况下,也能满足性能要求。本文将L_2增益非线性鲁棒控制方法应用到直线交流伺服系统中,并对此方法进行了研究。首先,在阅读了大量国内外相关文献资料的基础上,对直线进给系统的发展进行了综述;概述了永磁直线同步电机进给系统鲁棒控制的国内外研究现状;并对永磁直线同步电机伺服系统的控制策略进行了阐述。其次,在分析永磁直线同步电机的基本结构和工作原理基础上,介绍了矢量控制的原理;建立了永磁直线同步电机的数学模型;分析了直线电机伺服控制系统的主要扰动因素对系统动态品质的影响。然后,介绍了设计L_2增益鲁棒控制器所需的理论基础:无源性与稳定性;L_2增益与HJI不等式;存储函数的递推设计;同时介绍了非线性系统鲁棒性能设计准则。在此理论基础上,根据直线电机非线性数学模型的特点以及扰动复杂的状况,对永磁直线电机伺服系统的L_2增益鲁棒控制方法进行了研究。根据永磁直线同步电机的数学模型,设计了L_2增益鲁棒控制器,通过构造适当的存储函数得到描述系统L_2增益控制器的定理,证明定理给出的控制器能满足干扰抑制和系统的渐近稳定。最后,用Matlab/Simulink软件进行了L_2增益鲁棒控制器的仿真分析。仿真结果表明,L_2增益鲁棒控制器应用在永磁直线同步电机进给系统中具有较强的鲁棒性,对各种扰动亦有很强的抑制能力,满足了被控对象对高精度加工的要求。
赵辉[8]2010年在《数控机床直接磁悬浮永磁直线电动机进给系统的研究》文中提出数控机床直接磁悬浮永磁直线电动机进给系统的研究,是以现代伺服理论为基础,以直接磁悬浮永磁直线电动机为研究对象,以数控机床为应用背景的研究。研究目的是根除数控机床进给系统的摩擦阻力。本文以国家自然科学基金项目：“数控机床直接磁悬浮永磁直线电动机及其伺服控制系统研究(项目批准号：50975181)”为背景,从直线伺服系统的应用现状和各种新型直线电机的结构特点出发,结合磁悬浮原理,对直接磁悬浮永磁直线电动机及其进给系统进行研究。主要研究内容如下：1.研究直接磁悬浮永磁直线电动机的工作原理。该电动机的初级动子上有两套绕组,一套绕组用于产生电磁推力,另一套用于产生磁悬浮力。并对两套绕组分别使用id=0(推力绕组)和iq=0(悬浮绕组)的电流控制策略,使之在稳定悬浮的基础上,实现无摩擦进给。2.建立直接磁悬浮永磁直线电动机数学模型。在直接磁悬浮永磁直线电动机的磁场分层模型基础上,从气隙磁场能量出发,通过虚位移法推导电磁推力、悬浮力的表达式。3.对直接磁悬浮永磁直线电动机进行有限元分析。通过静磁场分析,研究磁悬浮电动机结构的合理性；通过瞬态场分析,重点研究电动机运行时,悬浮绕组对气隙磁场增磁、去磁的调节作用。4.直接磁悬浮永磁直线电动机进给系统的仿真研究。用Simplorer软件搭建主电路与控制电路模型,用Maxwell软件建立电机有限元模型,通过场路耦合法对进给系统进行仿真研究。
潘超[9]2011年在《数控机床直线电驱进给系统控制技术及动态特性研究》文中研究表明高速切削技术及多功能复合加工中心的迅猛发展要求数控机床进给系统具有高刚度、高精度、高速度和高响应能力,而传统滚珠丝杆进给系统无法满足这种高性能进给要求。直线电动机可以实现高速直接驱动,避免了滚珠丝杆传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点,可获得高速、高精度运行并具有极好的稳定和动态性能,直线电动机直接驱动进给系统是当前国际上公认的最有前途的数控机床高性能进给系统。数控机床直线电驱进给系统的高性能运行完全依赖于高性能的直线伺服控制技术,机械传动结构的简化必然增加直线电驱进给系统电气控制的难度,直线电驱进给系统的“零传动”方式使得各种扰动不经过任何中间环节的衰减而直接作用于直线电动机,影响了进给系统的性能；同时,直线电动机存在端部效应、推力波动、齿槽效应等非线性因素,这也增加了控制的难度。为充分发挥直线电动机在数控机床进给系统中的优势,必须对直线电驱进给系统的动态特性进行深入的理论和试验研究,从控制和补偿的角度提出适合于直线伺服系统实时控制的有效方法。论文围绕数控机床直线电驱进给系统的控制技术及其动态特性展开研究,保证直线电驱进给系统的各种动静态性能指标,提高直线电驱进给系统的动态刚度和抗干扰能力,充分满足高性能数控机床进给系统的要求。论文主要研究内容如下：(1)简要介绍了直线电动机基本结构及工作原理,建立了直线电驱进给系统数学模型和传递函数,对直线电驱进给系统的关键参数进行分析,并与传统滚珠丝杆传动方式进行了比较,指出直线电驱进给系统的优点及控制难点；分析总结了数控机床直线进给伺服系统工作过程中存在的非线性及不确定性扰动因素。(2)构建了直线电驱进给系统的叁闭环控制结构,根据工程设计方法设计了电流环、速度环和位置环的PID数字控制,并进行了仿真和试验。重点研究了基于极点配置算法的直线电驱进给系统,详细介绍了极点配置控制器设计的基本原理及设计方法,具体给出了极点配置自适应算法的计算机实现方法,并通过仿真分析验证了控制器的有效性,最后通过试验比较了PID控制和极点配置两种算法的性能特点。(3)针对直线电驱进给系统的非线性、不确定性和动态复杂性的特点,引入具有非线性逼近能力、自适应自学习能力的神经网络智能控制算法,设计出基于神经网络的直线伺服控制系统。设计出具有局部逼近快速反应的CMAC神经网络自适应控制器,控制过程和在线学习过程同时进行,充分满足伺服控制实时性要求；引入具有动态递归特性的Elman神经网络,其“部分递归,全局前馈”的结构兼顾前馈神经网络的优点,具有适应时变特性的能力,充分利用Elman神经网络存储的历史控制信息,提高了直线电驱进给系统的动态抗干扰能力和系统的控制精度；对Elman神经网络的存储方式进行优化,创新性的提出具有稀疏存储功能的改进Elman神经网络,进一步提高网络的泛化能力和响应速度,并通过仿真验证了此算法的可行性和有效性；针对直线电驱进给系统运动过程中存在的各种非线性干扰,提出基于前馈和反馈的神经网络复合补偿的控制系统,不必对扰动力进行辨识和计算,因而无需过分依赖扰动力的精确数学模型,在同一网络结构中不仅对扰动力进行反馈补偿,而且对给定信号进行预测前馈补偿,提高了直线电驱进给系统的控制性能。(4)构建直线伺服系统整体结构；详细介绍了直线伺服控制器的硬件设计,主要包括驱动单元、检测单元和控制单元；根据矢量控制原理设计了伺服控制器的软件结构,对设计中存在的关键问题进行了探讨；并对所设计的具有自主知识产权的直线伺服控制器样机进行了调试试验。(5)构建了数控机床直线电驱进给系统试验平台,详细介绍了试验平台的结构、性能参数和检测方法；通过试验测定了工作台的摩擦系数和电动机推力系数；试验研究了PID控制、极点配置控制下直线电驱进给系统的动态性能,并分析了主要控制参数对系统动态性能的影响；最后,试验研究了直线电驱进给系统位置跟踪性能及动态刚度。
宁建荣[10]2012年在《高精数控机床永磁直线进给系统机电耦合法向振动研究》文中研究指明高精度数控机床的精度已经发展到纳米级阶段,永磁直线伺服进给系统是高精数控机床的核心部件,精密机床直线进给系统振动问题已是不容忽视和不可回避的问题,必须对永磁直线伺服进给系统进行运动学、动力学、机械结构、电气性能等方面综合分析和整体设计,才能全面提高直线伺服进给系统的各项性能指标。本文针对永磁直线伺服进给系统因法向力引起的振动问题,围绕电磁振源、系统动力学、减振优化设计等方面进行了研究。针对波动的法向力引起直线电动机振动的问题,利用解析法和有限元法计算总结了不同极、槽数配合的永磁直线伺服电机法向力分布的时空变化规律,进一步分析了法向力分布对动子振动的影响规律。分析结果表明,极、槽数的公约数为1或2的近极槽直线电机,在法向力的作用下易引起法向共振。为分析直线进给系统振动特性,建立了磁—结构耦合系统的数学模型,通过对磁—结构耦合场方程的间接耦合求解,获得机电系统耦合动力学微分方程的解。将直线电机动子与工作台作为一体化结构,分析了工作台系统的动力学特性。在法向力作用下,直线电机动子与工作台作为一体化结构的变形比电机动子单一结构的变形增大,固有频率降低。直线进给系统模态分析表明工作台为系统振动的薄弱环节。针对高精数控机床振动特性易受机械部件弹性变形的影响,从机电耦合角度出发,将永磁直线进给工作台等效为多自由度的“弹簧—阻尼”系统,用有限元法进行柔性化,应用拉格朗日—麦克斯韦方程建立进给系统多柔性体的机电耦合模型。结合有限元分析软件ANSYS、动力学仿真软件ADAMS建立直线进给系统多柔性体的机电耦合仿真模型。对比分析表明,柔性体、电气控制参数以及谐波扰动对系统振动有显着影响。实验测量的工作台法向加速度与柔性化机电耦合模型的仿真结果相符。为提高永磁同步直线电动机直线进给系统的抗振能力,采用磁—结构耦合拓扑优化方法对直线进给系统的结构进行优化设计,用伴随矩阵法对磁—结构耦合方程的灵敏度进行分析。以柔度最小和低阶固有频率最大为优化目标,在法向力的作用下分别对直线电机动子、工作台、底座进行结构拓扑优化。分析重构后系统的振动特性表明,在不影响磁场分布的前提下,磁—结构耦合拓扑优化有效地提高了系统动、静态刚度。对永磁直线伺服电机样机的法向力及振动进行测试。通过设计的测量装置,测量样机在一对极距下的法向力。测量了永磁直线伺服电机进给系统工作台在不同速度、不同载荷条件下的加速度,并分析振动频率。实验验证了建立的直线进给系统多柔体机电耦合模型的正确型。
参考文献：
[1]. 高速精密永磁直线同步电机进给系统及控制技术研究[D]. 徐月同. 浙江大学. 2004
[2]. 无位置传感器永磁直线同步电机进给系统初始位置估计及控制研究[D]. 陆华才. 浙江大学. 2008
[3]. 扁平型永磁直线同步电机进给系统热态特性的研究[D]. 牟晓杰. 浙江大学. 2012
[4]. 新型进给系统—永磁直线同步电机的磁极位置及速度估计算法研究[D]. 余佩琼. 浙江大学. 2008
[5]. 进给系统用双边磁通切换永磁直线电机研究[D]. 刘强. 东南大学. 2015
[6]. 两轴高速直驱伺服进给系统控制策略与实验平台[D]. 姜军鹏. 天津大学. 2012
[7]. 基于L_2增益的直线进给系统的鲁棒控制器研究[D]. 赵鑫. 沈阳工业大学. 2008
[8]. 数控机床直接磁悬浮永磁直线电动机进给系统的研究[D]. 赵辉. 沈阳工业大学. 2010
[9]. 数控机床直线电驱进给系统控制技术及动态特性研究[D]. 潘超. 江苏大学. 2011
[10]. 高精数控机床永磁直线进给系统机电耦合法向振动研究[D]. 宁建荣. 沈阳工业大学. 2012
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