永磁直线同步电机的PI控制及动态特性研究

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作为电磁场-力-直线位移的直接转换装置,永磁直线同步电机(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,PMLSM)不需要中间传动结构,可将电能直接转化为直线机械能,简化了直线传动装置的结构、提高了其工作效率,减小了机械传动系统的能量损耗。是一种比较理想的直线机械传动装置,被广泛应用于直线驱动领域。PMLSM用于直线驱动场合时,其动子的运动是靠永磁体产生的磁场和通入电机线圈绕组中的交变电流产生的交变磁场(也称为行波磁场),相互作用产生的洛伦兹力来进行的。因此对永磁体磁场的数学建模与分析计算显得尤为重要,充分解析永磁体磁场的分布,可以更好地分析电机的运行情况。为了减小直线电机的推力波动,在搭建直线电机的实验平台时,采用了平行六面体形状的永磁材料钕铁硼(Nd2Fe14B)阵列。利用毕奥萨法尔定律计算了其磁感应强度的大小。同时借助于特斯拉计对永磁体的磁感应强度进行了实测,并将测量结果和三维电磁场仿真结果进行了对比。在对PMLSM动子运动情况的研究中,由于动子是靠交变磁场的作用运动,交变磁场的质量直接由通入线圈绕组的交变电流的质量来决定。调速系统的控制中,采用了比传统正弦脉宽调制(SPWM)转矩脉动小、电流谐波少、控制电流质量更高、电压利用率更高且易于数字化实现的空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术。并且当相邻电压矢量的作用时间和不为采样周期时,为了避免开关管误动作,通过插入零电压矢量的方法来对电压矢量的作用时间进行补偿。本文结合SVPWM原理,对其结构进行了详细分析。并结合分析过程在MATLAB/Simulink中搭建了SVPWM与电压源型逆变器联合直线电机(LM)的调速系统仿真模型,同时搭建了调速系统的实验平台。在对PMLSM实验台的驱动控制过程中,由于电机自身的结构特点,其边端效应、齿槽效应及负载扰动等势必会在电机的工作中产生推力波动。同时,制造产生的误差、永磁体充磁不均匀、材料各向异性等,最终都会通过推力波动的形式表现出来,成为制约电机运动控制精度进一步提高的瓶颈,这也一直是各国学者在本研究领域的研究热点问题。文章在对电机经典PI控制的基础上,研究了前馈控制和滤波技术对矢量控制中控制电流的影响,并在实验台上测试了在不同参数及负载情况下电机q轴控制电流的响应情况。通过分析电机q轴控制电流,得到控制电流对电机电磁推力波动影响的情况。为了研究PMLSM在驱动控制过程中的振动问题,研究电机的动态特性,采用LMS Test.Lab振动测试仪器,在基于受迫振动的理论背景下,对电机在受到外部正弦激励信号的影响下来研究其水平方向和垂直方向的振动响应问题。
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