摘 要
直线电机在各行各业中发挥着越来越重要的作用， 特别是在机床进给驱动系统中。本文
以平板式交流永磁同步直线电机为研究对象，从电机机体到伺服驱动系统的软、硬件设计作
了深入研究。
本文首先介绍了交流永磁同步直线电机机体设计过程中电枢绕组、 铝芯和定子磁钢的设
计和改进方法，较大程度上减小了推力波动，并且结合大推力直线电机的特点设计了方便有
效的装配过程。
建立交流永磁同步直线电机的数学模型，在此基础上分析了当今最通用的伺服控制策
略，选择了矢量控制方法。确定 0 = d i 的矢量控制实现形式。通过 SVPWM 方法进行脉宽调
制，合成三相正弦波。选用 TI 公司 2000 系列最新 DSP TMS320F2812，深入研究了以上算法
在 DSP 中的实现形式。采用了C 语言和汇编语言混合编程的实现方法。在功率放大装置中， 以智能功率模块 IPM 为核心，设计了功率伺服驱动系统。还包括电流采样、光电隔离、过压
欠压保护和电源模块等。
由于知识和能力的限制，本次课题只对直线电机做一些理论研究。
关键词：永磁同步直线电机 DSP SVPWM 矢量控制
Abstract
Line motors are playing a more and more important role in all kinds of trade ,
especially in machine tool feed system. We carry out our study in motor , software
and hardware servo system based on flat AC permanent magnet synchronous linear
motor(PMSLM).
First introduce the design method of armature ,core of al and magnet which can
minish the thrust ripples, then introduce the means of assembly base on high thrust
permanent magnet synchronous motors.
To ensure the accuracy to a high requirements and get a wide speed range, we
choose the dsp of Texas Instruments named TMS320F2812 which is the core of the
servo system .In the paper we set up mathematical model of PMSLM, then analyse
the current control strategies and choose the vector control method which is realized
by the method of 0 = d i .The three phase sine wave is compounded by space
voltage pulse width modulation(SVPWM).The arithmetic realized by C language and
assembly language in DSP. Intelligent Power Model (IPM) is the core of the power
amplification circuit system which also contains current sampling circuit,
photoelectric-isolation circuits, over-voltage protection circuits, under-voltage
protection circuits and power supply.
As a result of the knowledge and ability limit, this topic only does a fundamental
research to the linear motor.
Key words: permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM), DSP ,
SVPWM, vector control
目 录
摘要 中文.....................................................................................................I
英文...............................................................................................................................II
第一章 绪 论 (1)
1.1 研究背景和意义 (3)
1.2 直线电机的运行原理及特点 (5)
1.2.1 直线电机的基本运行原理 (5)
1.2.2 直线电机进给系统优缺点分析 (5)
1.3 直线电机发展历史及其伺服控制系统的研究综述 (7)
1.3.1 国内外直线电机历史、现状及发展 (7)
1.3.2 直线电机伺服控制系统的研究综述 (9)
1.3.3 试验研究 (11)
1.4 本文主要研究内容 (12)
第二章 永磁永磁直线同步电机基本结构 (12)
2.1 实验用交流永磁同步电机基本结构........................................................错误！未定义书签。
2.2 初级结构设计............................................................................................错误！未定义书签。
2.3 次级结构设计............................................................................................错误！未定义书签。
2.4 电机的装配 …………………………………………………………………… 错
误！未定义书签。4
第三章 交流永磁直线同步电机的数学模型和控制算法研究错误！未定义书签。4
3.1 交流永磁直线同步电机的控制策略的选择 (264)
3.2 交流永磁直线同步电机的数学模型.......................................................错误！未定义书签。5
3.3 交流永磁直线同步电机的矢量控制.......................................................错误！未定义书签。7
3.4 脉宽调制技术...........................................................................................错误！未定义书签。1
第四章 全数字交流伺服控制单元的硬件结构及其设计 (16)
4.1 引言............................................................................................................错误！未定义书签。
4.2 控制系统硬件结构 (17)
4.2.1 DSP 芯片的选择 (166)
4.2.2 功率驱动单元的设计与选型…………………………………………………… 错
误！未定义书签。.28
4.2.3 磁极霍尔元件..................................................................................错误！未定义书签。1
第五章 伺服系统的软件设计 (33)
5.1 主程序结构 (33)
5.2 主中断程序 (34)
第六章 总结与展望 (39)
参考文献 (40)
第一章 绪 论
1.1 研究背景和意义
高速化、精密化和模块化是现代制造技术的发展方向。进入 90 年代以来，高速加工迅
速发展，在高速加工中心中，高速电主轴和快速进给伺服系统是其中两项关键技术，其中对 进给伺服系统提出新的要求 [1] ：1）进给系统必须与高速主轴相匹配，速度达到 60m/min 或 更高；2）加速度要大，这样才能在最短的时间和行程内达到要求的高速度，至少要 1～2ｇ；
3）动态性能要好，能实现快速的伺服控制和误差补偿，具有较高的定位精度和刚度。
现代高速机床上实现高加速度直线运动有两种途径， 一是采用滚珠丝杠传动，一是采用 直线电机传动。前者采用旋转伺服电机驱动滚珠丝杠，这种进给系统所能达到的极限速度为 90～120m/min ，最大加速度也只有 1.5g 。同时，由于电机到工作台之间存在大量的中间环 节，如联轴节、丝杠等。在高速运行或完成复杂运动时，这些机械元件产生的弹性变形、摩 擦、反向间隙等会产生进给运动的滞后和其它一些非线性误差，使系统有较大的惯性质量， 影响了对指令的快速响应。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下会产生较大变形，影响 加工精度。为了克服传统进给系统的缺点，简化机床结构，满足高速精密加工的要求，人们 开始研究新型的进给系统，于是直线电机（图 1.1）开始作为进给系统出现在加工中心中， 它取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零， 即所谓的“直接驱动”或“零传动” 。这种机械上的简化使得外界及自身的任何扰动都会毫 无缓冲的作用在直线电机上，因此对直线电机的伺服控制系统的性能好坏， 又决定了直线电 机的整体性能。
目前国外对直线电机的研究已处于应用阶段，技术已经很成熟，但价格昂贵，为了提高 我国机床和制造业水平， 国内已经开始了直线电机特别是机床进给系统用的直线伺服电机的 研究，但还处在探讨和试制阶段。为了掌握自己的知识产权，清华大学制造所于 1996 年开 始研究大推力、长行程交流永磁直线同步电机进给单元的 [2] 。之前，第一代样机已经制造出 来，但控制性能有待改善，有必要进一步研究直线电机的交流伺服控制单元。本课题是根据 上述背景和研究所现有条件提出来，针对现有的样机进行了三相交流伺服控制系统的研究。
作为高速加工中心的关键功能部件之一， 直线电机的核心技术和应用市场都被国外的大 公司如 Anorad 、Siemens 、Kollmorgen 、Indramat 、Aerotech 、Park 等所拥有，因此自主开发 一套直线电机及其伺服控制系统对于提高我国制造业水平和高速加工设备国产率有着较大 的实际意义和经济价值。此外，直线电机还应用于军事、交通等领域，作为一种新技术有着
1
2 3 1－电机定子； 2－电机动子； 3－工作台
图1.1 交流直线电机进给系统
很高的推广价值。
1.2 直线电机的运行原理及特点
1.2.1 直线电机的基本运行原理
所谓直线电机就是利用电磁作用原理将电能直接转换直线运动动能的设备。 可以想象把 旋转电机的定子和转子沿半径剖开后展平， 可以得到直线电机的初级和次级， 在实际应用中， 为了保证在整个行程之内初级与次级之间的耦合保持不变， 一般要将初级与次级制造成不同 的长度。直线电机与旋转电机类似，通入三相交流电流后，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1.2）。 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 [3] 。
1.2.2 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 [4] ：（具体性能见表 1-1）
1．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；
2．结构简单，体积小，以最少的零部件数量实现直线驱动，而且是只有一个运动的部 件；
3．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；
4．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一个突出 的优点；
5．加速度很大，最大可达 10g ；
6．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 图 1.2 交流直线电机气隙中的行波磁场
v
或转换装置的缘故；
7．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；
8．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 1-1 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（μm/300mm） 10 0.5
重复精度(μm) 5 0.1
最高速度(m/min) 20～30 60～200
最大加速度(g) 0.1～0.3 2～10
静态刚度(N/μm) 90～180 70～270
动态刚度(N/μm) 90～180 160～210
速度平稳性(%) 10 1
调整时间(ms) 100 10～20
寿命(h) 6,000～10,000 50,000 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：
1．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。另一方面，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（End effect），直线电机的结构特点决定了纵向端部效应是不可避免的 [5] 。
2． 控制难度大
直线电机虽消除了机械传动链所带来的一些不良影响，但却增加了控制难度。 因为在电 机的运行过程中负载（如工件重量、切削力等）的变化、系统参数摄动和各种干扰（如摩擦 力等），包括端部效应都直接作用到电机上，没有任何缓冲或削弱环节，如果控制系统的鲁 棒性不强，会造成系统的失稳和性能的下降 [4] 。在要求高精度微进给的场合，要求考虑更多 的摄动和扰动等不确定因素对进给运动的影响。
3．效率低
由于结构上的限制，直线电机的气隙通常比旋转电机大，加上端部效应等造成的额外损 耗，效率和功率因数均比旋转电机要低。
4．成本高
直线电机的设计、制造、材料、防护和控制系统等成本均较高，随着技术的成熟和应用
越来越广泛，直线电机的成本也将越来越低。
1.3 直线电机发展历史及其伺服控制系统的研究综述
1.3.1 国内外直线电机历史、现状及发展
1845 年英国人 Charles Wheastone 发明了世界上第一台直线电机，但这个直线电机由于 气隙过大而导致效率很低，未获成功。在随后的一个世纪里，直线电机由于效率低、开发成 本高而被长期搁置，处于停滞状态。到了二十世纪中叶，控制、电子、材料等技术的发展， 为直线电机的开发提供了理论和技术上的支持，直线电机开始进入新的发展阶段。二十世纪 七十年代以后，直线电机应用的领域更加广泛，如自动绘图仪、液态金属泵（MHD ）、电磁 锤、轻工机械、家电、空气压缩机、半导体生产等。在这个时期，直线电机的应用逐步渗透 到机械制造业，最先用在生产线上运送物料，后来应用到机床上，如高频响小行程直线电机 被用来推动车床横向刀架，实现非圆截面零件的车削加工。
90 年代以后，随着高速加工概念的提出，直线电机开始作为进给系统出现在加工中心 中。由于直接驱动进给系统具有传统进给系统无法比拟的优势和潜力，再次成为各国制造业 关注的焦点，直线电机作为一种机电系统，将精度要求很高而又笨重的机械部件“转嫁”于 复杂的电气控制系统，这一思路符合现代机电技术的发展趋势。
目前国际市场的直线电机产品种类繁多，各有特色，美国的 Anorad 公司是世界上最著 名的直线电机生产商，该公司在 1988 年就推出了无刷直流直线电机，并获得美国专利，他 以永磁式直线电机为主，形成了不同结构不同功率的系列产品（图 1.3），广泛应用于各种领 域。80 年代中、后期，致力于研制以直线电机为驱动的机床进给系统，成为这一领域的先 驱者之一。Siemens 公司也推出了 1FN1、1FN3 等大中型推力永磁直线同步电机（图 1.4）
， 适合于加工中心进给系统的驱动。 图1.4 Siemens 公司的永磁直线电机 图1.3 Anorad
公司的直线电机产品
此外，Kollmorgen 公司和德国的 Indramat 公司也推出了永磁直线电机，并进军制造业 精密运动领域。
目前，国内直线电机的发展还处于实验室开发阶段，主要研究力量是大学和科研院所。 将直线电机作为机床或加工中心进给系统研究的主要有广东工业大学、 沈阳工业大学和清华 大学等几所大学。
，主要研究和开发“超高速电主轴”
广东工业大学成立了“超高速加工与机床研究室”
。他们研究的是直线感应电机，开发了 GD-3 型直线电机高速 和“直线电机高速进给单元”
数控进给单元，额定进给力为 2000N，最高进给速度 100m/min，定位精度 0.004mm，行程 为 800mm [6] 。沈阳工业大学开始对永磁直线同步电机进行研究，并制造了推力为 100N 的样 机。除了样机的研制外，他们研究的另一重点是直线电机的控制算法及伺服系统。
清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所针对高速加工中心进给系统的长行程、 高 推力永磁直线同步电机进行了研究，现在已经设计出第二代样机，设计额定推力为2800N。 本课题研究的是用于该直线电机的全数字交流伺服控制系统， 争取开发出具有自主知识产权 的应用于高速机床进给系统的永磁直线同步电机伺服控制系统。
目前直线电机直接驱动技术的发展呈现以下趋势：
1．部件模块化：包括初级、次级、控制器、反馈元件、导轨等部件模块化，用户可以 根据需要（如推力、行程、精度、价格等）自由组合；
2．性能系列化：由于直接驱动，不像旋转电机那样可以通过减速器的减速比、丝杠螺 距等环节调节性能，单一性能的直线电机应用范围比较窄，因此性能的系列化更丰富；
3．结构多样化：直线电机一般直接和被驱动部件连接，为适应不同的安装要求结构必 须多样化；
4．控制数字化：直线电机的控制是直接驱动技术的一个难点，全数字控制技术是解决 这一难点的有效方案。
世界上第一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 Ex-cell-O 公司于 1993年在德国汉诺威欧洲机床展览会上展出的 XHC240型加工中心，采用的是德国 Indramat 公司开发的感应式直线电机，各轴的移动速度高达 80m/min，加速度可达 1g。
图1.5 安装直线进给系统的高速加工中心HVM800
Ford、Ingersoll 和 Anorad公司在 80 年代中期的合作最初实现了直线电机在机床上的应 用。Ford公司希望机床既高速、高精度，又高柔性。合作的结果是 Ingersoll 公司推出了“高 速模块”HVM800，结构如图 1.5 所示。其三轴都安装了 Anorad 公司的永磁式直线电机， 获得很好的性能 [7] 。
国内一些公司和研究所也开始涉足机床的高速化工作。在第八届 CIMT’03 展览会上， 北京机电院高技术股份公司推出了我国第一台采用直线电机驱动的加工中心（VS1250 立式 加工中心），该机床采用了 Siemens 公司的 1FN1 型直线电机和 840D 数控系统，X、Y轴进 给速度可达 62m/min，加速度可达 1g，主轴最高速 15000r/min。
据有关预测十五年后，将有 20％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！
1.3.2 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，但作为一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一定的成果。 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。
1.3.
2.1 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，但某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。
1.3.
2.2 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一个重点和难点。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。这些因素都给直线电机的伺服 控制带来困难，在控制算法中必须针对这些扰动寻求相应的抑制或补偿方案，否则系统的稳 定性很难保证。 总的来说， 直线电机伺服控制系统的设计应满足以下目的： 稳态跟踪精度高、 动态响应快、抗干扰能力强、鲁棒性好。不同的直线电机及其应用的场合对控制算法也有不 同的要求，所以应根据具体情况采用合适的控制算法。
适用于伺服控制系统的微机主要有微处理器、单片机和数字信号处理器。随着微电子技 术和现代控制理论的发展，伺服控制系统逐渐迈向全数字化控制单元。其中 80 年代推出的 MCS－51 和 MCS－96 系列单片机， 尤其是近几年迅速发展的含有高速数字信号处理器的控 制芯片为伺服控制系统提供了高性能的硬件平台， 能够满足现代控制算法的实现和实时控制 要求。基于上述控制芯片能够实现复杂的控制，目前直线电机伺服控制系统采用的控制策略 分析如下：
1．传统的控制策略
传统的控制策略如 PID 反馈控制、解耦控制等，在交流伺服系统中得到了广泛的应用。 其中 PID 控制算法蕴含了动态控制过程中的过去、现在和将来的信息，其配置几乎为最优， 具有较强的鲁棒性，是交流伺服电动机驱动系统中最基本的控制形式，其应用广泛，并与其 它新型控制思想结合，形成了许多有价值的控制策略。在要求实现微精进给、高速与超高速 运行的高性能伺服系统中，滞后因素的影响将变的突出，Smith预估器与控制器并联，可以 使控制对象的时间滞后得到较好的补偿，这样在设计控制器时就不必考虑对象的时滞影响， 对解决伺服系统中逆变器电力传输延迟和速度测量之后所造成的速度反馈滞后影响是十分 有效的。在直线永磁交流伺服电机系统中存在着多个电磁变量和机械变量， 在这些变量之间 存在较强的耦合作用，为了提高控制效果，在交流伺服系统中通常要求实现矢量控制，矢量 控制就是将三相电流矢量分解为两个独立的电流分量，以实现单独控制。一般是使磁场分量 为零，使输出力与交轴电流具有线性关系。电流矢量与速度反馈回路也有耦合作用，在动态 过程中，可以采用解耦控制算法加以解决，使各变量间的耦合减小到最低限度，以使各变量 都能得到单独的控制 [8] 。
2．现代控制方法
随着科学技术的发展， 对各种机械零件的加工精度要求愈来愈高， 必须考虑控制对象参 数乃至结构的变化、非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变的不确定因素，才 能得到满意的控制效果。在实际应用需求的呼唤下，在计算机高速度、低成本所提供的良好 物质条件下，一系列现代控制方法应运而生，并应用于实际中，如非线性控制、自适应控制、 滑模变结构控制、预见控制、鲁棒控制、辨识算法 [8] 。现代控制算法都有很强的针对性和复 杂的算法，选择时应结合应用场合和控制性能要求选择相应的控制策略。
3．智能控制算法
从 60 年代起，为了提高控制系统的自学习能力，人们开始注意将人工智能技术与方法 应用于控制系统。 对控制对象、 环境与任务复杂的系统宜采用智能控制方法。 模糊逻辑控制、 神经网络和专家控制是当前三种比较典型的智能控制策略。 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 1.6 是典型的模糊 PID 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
r 比较
处理
模 糊
控制器 控制对象
∑
u
e
?e
e
2
D
y 图1.6 典型的模糊PID控制结构
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 络控制的一种新型控制技术，它兼具了两者的优点， 更进一步提高了直线电机系统的伺服性 能。专家控制一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一 [9] 。
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 PC 机作 为基本平台，采用DSP 实现伺服控制。
1.3.3 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。
1.4 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：
1．交流永磁直线同步电机伺服控制的总体方案分析；
2．交流伺服控制单元硬件结构的分析和选型；
3．交流永磁直线同步电机数学模型和控制算法的研究；
4．全数字交流伺服控制单元的软件结构和控制界面研究；
第 2 章 交流永磁直线同步电机基本结构
2.1 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2-2 所示。
图 2-2 交流永磁同步直线电机
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。
2.2 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。 电枢绕组由在同一平面 上按照一定规律沿纵向排列并互相连接在一起的多组线圈构成； 铝芯是被铣出具有一定槽型 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。起着汇聚磁通、减小 磁漏，提高气隙密度和推力的作用。
绕组的基本单位是线圈。每个绕组有两个直线边，分别嵌入在铝心的两个齿槽内，是绕 组的有效部分，也是电磁能量转换的主要部分。绕组的两个有效边沿纵向相隔的距离称为绕 组的节距。当绕组的节距与极距相等时称为整距绕组，节距小于极距时称为短距绕组。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，每个齿槽内嵌入一个 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一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 N 极或者 S 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 某一槽中的线圈产生“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 方向也同原来一样，保留了无空槽绕组的特性。
2.3 次级结构设计
次级主要由永磁体和纯铁底板组成。1983 年问世的稀土钕铁硼（NdFeB）是第三代稀土 永磁体，稀土钕（Nd）在稀土矿中含量丰富，价格低廉。钕铁硼永磁体的剩磁密度（Br）达 到 1.4T，矫顽力（Hc）达到990KA/m，最大磁能积 max ) . ( H B 高达 390 3
/m KJ 。在一定 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 [12] 。
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，磁钢的排列作了一系列改进。本实验中电机的极距为 30mm，磁钢宽度是 22mm，厚 7mm。如图 2-3 所示，通过有限元计算比较，取 j b =4，
0 20 = a 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。 a
j
b 图 2-3 磁钢截面形状
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 2-4 所示 [11]
。 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 [13]
。 2.4 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，在一侧安装固定定子磁钢和纯铁板，把初级动子推到没有安装 磁钢的另一侧。安装完毕后把动子顺着导轨推到已经固定好磁钢的一侧，然后把另一块定子 磁钢安装固定。如图2-5
所示：
并在每个底座上设计一个定位销孔， 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 5～10mm，然后水平拖出 [14]
。 矩形直排 平行四边形斜排
图 2-4 磁钢正面俯视排列
图 2-5 直线电机装配过程
第 3 章 交流永磁直线同步电机的数学模型和控制算法研究 3.1 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 [15] 。
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 1971 年由德国西 门子公司的 Blaschke 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 [16] 。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 [17] [18] 。
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 [19] 。
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 104﹕1 以上，使用矢量控制技术的通用伺服传动系统调速 范围达 5×103﹕1～104﹕1。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 [20] 。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。
3.2 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一的， 都可以按电机统一理论 进行分析。取永磁体基波磁场的方向为 d 轴，q 轴超前于 d 轴 90 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 d、q 轴电压方程为：
d
r q q s q p i R u y w y + + = （3-1） q
r d d S d p i R u y w y - + = （3-2） 上式中，磁链方程为：
q
q q i L = y （
3-3） f
d d d i L y y + = （3-4） 带入上式可得：
f
r d d r q q q s q i L pi L i R u y w w + + + = （3-5） q
q r d d d S d i L pi L i R u w - + = （3-6） 上面各式中：
d q u u , ----------q ，d 轴电压；
q d i i , ------------q ，d 轴电压；
q d L L , ----------q ，d 轴电感；
S R -------------定子相电阻；
r w ----------------转子电角速度；
f y ---------------永磁体基波磁链；
R -----------------微分算子；
永磁同步直线电机的电磁推力为：
)
( 2 3 d q q d n e i i p T y y t p
- = （3-7） 其中 n p 为电机极对数。将磁链方程代入上式得：
] ) ( [ 2 3
d q q d q f n
e i i L L i P T - + = y t p （3-8）
设 s i r 为定子电流合成空间矢量，则有：
s i r = d q ji i
- （3-9） s i r 与
d 轴间的角度为b ，则有： b
sin s q i i = （3-10） b
cos s d i i = （3-11）
将式 3-10 和式 3-11带入式 3-8 得电磁转矩方程为： ] 2 sin ) (2 1 sin [ 2 3 2 b b y t p s q d s f n e i L L i p T - + = （3-12） 上式中第一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 [15] [16] 。 当 q d L L = 时，上式为：
b y sin 2
3 s f n e i p T = （3-13） 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，d 轴的电流分量 d i 和
q 轴的电流分量 q i 之间的空间矢量夹角始终是90o，因此电 机推力与 q i 近似成正比关系。
3.3 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： 0 = d i 控制、 j cos =1 控制、最大转矩/电流控制、 恒磁链控制等。 j cos =1 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 j cos =1 控制，输出 转矩要大一倍。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。 是一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 DSP 控制器方可胜任 [21] 。 对于 0 = d i 控制，转矩只受定子电流q 轴分量 q i 的影响，简化了电机数学模型。对于
要求产生转矩一定的情况下，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 0 = d
i 这种最常用最简单的控制方法 [22] [23] 。 对于 0 = d i 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
压前馈解耦控制是一种完全线性解耦控制方案，可使 id、iq 完全解耦。但为获得该控制结 果，必须实时检测电机速度ω与 iq，并做ω和 iq 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 解耦控制是一种近似的解耦控制，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 [24]
。
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 PID 控制来实现。到目前为止，PID 控制仍然是历史最悠久、生命力最强的基本控制 方式。因为 PID 控制有如下优点：
1.PID 控制原理简单， 使用方便， 并且已经形成了一套完整的参数设计和参数整定的方 法，比较容易掌握；
2.PID 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；
3.PID 控制适应性强，可以广泛应用于各个方面；
4.PID 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；
5.PID 可以根据不同的需要，针对自身的缺陷进行改进，并形成了一系列改进的算法。 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 d i 和产生转矩的 转矩电流分量 q i 。并使两分量相互垂直，彼此独立，分别进行调节 [25] 。 对直线电机来说，初级的三相电压（U 、V 、W 相）构成了三相初级坐标系（a ，b ，c 轴系），其中的三相绕组互差120o，如图 3-1 所示。在直线电机中互差 120o 的意义就是在水
平方向上互差 1/3 极距。数学上习惯于用直角坐标系来表示一个矢量，故又设定两相初级坐 i s a a
= b
b c
d q
θ i d
i q i a i b
图3-1 坐标变换示意图
标系（α-β 轴系），由三相初级坐标系到直角坐标系转换称之为 Clark 变换，见公式（3-14） 。 由直角坐标系到三相初级坐标系的转换称之为 Clark 逆变换，见公式（3-15）。
（3-14） （3-15）
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 Park 变换，见公式 （3-16）。反之称为 Park 逆变换，见公式（3-17）。
（3-16） （3-17） θ 是 d 轴与a 轴的夹角。 以旋转电机的 Park 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一起同步旋转。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，和定子一起相对于动 子作直线运动，如图 3-2 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 11 1 2 22 3 33 0 2
2 a b c i i i i i a b éù éù -- êú éù êú êú = êú êú êú ?? êú - ?? êú ?? 10 1
3 22 1
3 22 a b c i i i i i a b éù êú éù êú éù êú êú =- êú êú êú ?? êú êú ?? êú
-- êú ?? cos sin sin cos d q i i i i a b q q q q - éùéù éù = êúêú êú ?? ???? cos sin sin cos d q i i i i a b q q q
q éùéù éù = êúêú êú - ?? ???? 图 3-2 交流永磁同步电机 d-q 轴坐标系
自动控制原理课程设计题目速度伺服控制系统设计 专业电气工程及其自动化 姓名 班级 学号 指引教师 机电工程学院 12月
目录一课程设计设计目 二设计任务 三设计思想 四设计过程 五应用simulink进行动态仿真六设计总结 七参照文献
一、课程设计目： 通过课程设计，在掌握自动控制理论基本原理、普通电学系统自动控制办法基本上，用MATLAB实现系统仿真与调试。 二、设计任务： 速度伺服控制系统设计。 控制系统如图所示，规定运用根轨迹法拟定测速反馈系数' k，以 t 使系统阻尼比等于0.5，并估算校正后系统性能指标。 三、设计思想： 反馈校正： 在控制工程实践中，为改进控制系统性能，除可选用串联校正方式外，经常采用反馈校正方式。常用有被控量速度，加速度反馈，执行机构输出及其速度反馈，以及复杂系统中间变量反馈等。反馈校正采用局部反馈包围系统前向通道中一某些环节以实现校正，。从控制观点来看，采用反馈校正不但可以得到与串联校正同样校正效果，并且尚有许多串联校正不具备突出长处：第一，反馈校正能有效地变化
被包围环节动态构造和参数；第二，在一定条件下，反馈校正装置特性可以完全取代被包围环节特性，反馈校正系数方框图从而可大大削弱这某些环节由于特性参数变化及各种干扰带给系统不利影响。 该设计应用是微分负反馈校正： 如下图所示，微分负反馈校正包围振荡环节。其闭环传递函数为 B G s （）=00t G s 1G (s)K s +（）=22t 1T s T K s ζ+（2+）+1 =22'1T s 21Ts ζ++ 试中，'ζ=ζ+t K 2T ，表白微分负反馈不变化被包围环节性质，但由于阻尼比增大，使得系统动态响应超调量减小，振荡次数减小，改进了系统平稳性。 微分负反馈校正系统方框图
机电伺服系统设计
基于PLC 的交流伺服系统设计 1.设计要求 以教材P133页机械传动系统为例，试根据给定参数（必须改变Z2：Z1）选择松下或者安川交流伺服系统并进行校核。 确定伺服系统的电子齿轮参数，并在此基础上以plc 作为控制器，采用位置模式（或者速度模式）对伺服系统进行控制，试设计实验系统并调试运行，完成设计报告。给出电路图，plc 程序以及电机参数设计。 伺服系统的结构如教材P133图6-18所示，参数如下： 齿数比：4/5/12=Z Z ； 指令脉冲当量：脉冲/01.0mm l g =?； 编码器每转反馈脉冲数：r p f /12000脉冲= ； 丝杠螺距：mm d B 10=； 快进速度：min /12000mm v F =； 丝杠飞轮惯量：22 2 10 94.2m N GD B ??=-； 齿轮2飞轮惯量：22 221064.17m N GD ??=-； 齿轮1飞轮惯量：22 2 11045.2m N GD ??=-； 每次进给长度：l =150mm ； 每次进给时间：s t 10≤； 每次进给次数：N =20； 工作台轴向运动力：m N Fc ?=1960； 驱动效率：9.0=η； 摩擦系数：1.0=μ。 2.设计过程 1) 电动机每转位移量mm Z Z d S B 85 4 1021=?==?； 2) 脉冲当量（位置分辨率）l ?，反馈脉冲当量l ?=pulse mm P s l f /00067.012000 8 ==?= ?，脉冲当量为0.01mm/pulse,两者不符，故使用电子齿轮。
pulse mm pulse mm B A B A l l g /01.0/120008=?=?=?， 所以 158 1200001.0=?=B A ，100,1500==B A ； 3) 电动机转速 因快进速度min /12000mm v F =，mm d B 10=，4/5/21=Z Z ，所以电动机应有的最高转速为min /15004 5 1012000r n =?= ； 4) 指令脉冲频率 s l v f g F g 脉冲3102060 1 01.012000601?=?=??= 每次进给位置信息存储地址数1500001 .0150 ==?=g l m ； 5) 负载转矩 ()m N S W F S F M c L ?=?????+= ??+=???= 05.38109.028.92001.020******** 33ππημπ 6) 负载飞轮惯量2 GD ，工作台换算到电动机轴上 22 32320127.01028196041024m N S W GD T ?=? ? ? ?????=??? ????=ππ 换算到电动机轴上的负载总飞轮惯量 () ()2 2 2 22222122168912.025 16 0294.01764.00245.00127.054m N GD GD GD GD GD GD B T L ?=?+++=? ?? ???++++= 7) 选定伺服电动机 电动机的额定转矩N M 应大于或等于m N M L ?=1.62， ??-=?? ? ??-=222 )02852.00095.0(311m N G GD L m 额定转速m in /1500r ， 选择预选松下伺服伺服电动机MSMA202A1G ，小惯量20W 带键槽200V 的无制动器的伺服电机。选用的是r p /2500五线制增量式编码器（分辨率为10000）额定功率200V ，额定转速 m in /3000r 。驱动器选择与之配套的松下MINAS-A4系列MSDA203A1A ，所选电机及驱动器满足 要求。
电子信息与电气工程系课程设计报告 设计题目：直流伺服电机控制系统设计 系别：电子信息与电气工程系 年级专业： 学号： 学生姓名： 2006级自动化专业《计算机控制技术》课程设计任务书
摘要 随着集成电路技术的飞速发展，微控制器在伺服控制系统普遍应用，这种数字伺服系统的性能可以大大超过模拟伺服系统。数字伺服系统可以实现高精度的位置控制、速度跟踪，可以随意地改变控制方式。单片机和DSP在伺服电机控制中得到了广泛地应用，用单片机作为控制器的数字伺服控制系统，有体积小、可靠性高、经济性好等明显优点。。本设计研究的直流伺服电机控制系统即以单片机作为核心部件,主要是单片机为控制核心通过软硬件结合的方式对直流伺服电机转速实现开环控制。 对于伺服电机的闭环控制，采用PID控制，利用MATLAB软件对单位阶跃输入响应的PID 校正动态模拟仿真，研究PID控制作用以及PID各参数值对控制系统的影响，通过试凑法得到最佳PID参数。同时能更深度地掌握在自动控制领域应用极为广泛的MATLAB软件。 关键词：单片机直流伺服电机 PID MATLAB
目录 1.引言 ...................................................... 错误!未定义书签。2．单片机控制系统硬件组成.................................... 错误!未定义书签。 微控制器................................................ 错误!未定义书签。 DAC0808转换器.......................................... 错误!未定义书签。 运算放大器............................................... 错误!未定义书签。 按键输入和显示模块....................................... 错误!未定义书签。 按键输入............................................ 错误!未定义书签。 显示模块............................................ 错误!未定义书签。 直流伺服电动机.......................................... 错误!未定义书签。 3.单片机控制系统软件设计..................................... 错误!未定义书签。 主程序................................................... 错误!未定义书签。 键盘处理子程序........................................... 错误!未定义书签。 4.控制系统原理图及仿真....................................... 错误!未定义书签。 控制系统方框图........................................... 错误!未定义书签。 控制系统电路原理图....................................... 错误!未定义书签。 Proteus仿真结果........................................ 错误!未定义书签。组件对直流伺服控制系统的仿真................................. 错误!未定义书签。 MATLAB与Simulink简介.................................. 错误!未定义书签。 MATLAB简介......................................... 错误!未定义书签。 Simulink简介....................................... 错误!未定义书签。 直流伺服电机数学模型.................................... 错误!未定义书签。 系统Simulink模型及时域特性仿真......................... 错误!未定义书签。 开环系统Simulink模型及仿真......................... 错误!未定义书签。 单位负反馈系统Simulink模型及仿真................... 错误!未定义书签。 PID校正................................................ 错误!未定义书签。 PID参数的凑试法确定................................ 错误!未定义书签。 比例控制器校正...................................... 错误!未定义书签。 比例积分控制器校正.................................. 错误!未定义书签。 PID控制器校正...................................... 错误!未定义书签。6．小结...................................................... 错误!未定义书签。参考文献..................................................... 错误!未定义书签。附录 ........................................................ 错误!未定义书签。
什么是伺服电机? 伺服电机:是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。伺服电机是可以连续旋转的电-机械转换器。作为液压阀控制器的伺服电机,属于功率很小的微特电机,以永磁式直流伺服电机和并激式直流伺服电机最为常用。 伺服电机的作用:伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确。 伺服电机的分类:直流伺服电机和交流伺服电机。 直流伺服电机的输出转速与输入电压成正比,并能实现正反向速度控制。具有起动转矩大,调速范围宽,机械特性和调节特性的线性度好,控制方便等优点,但换向电刷的磨损和易产生火花会影响其使用寿命。近年来出现的无刷直流伺服电机避免了电刷摩擦和换向干扰,因此灵敏度高,死区小,噪声低,寿命长,对周围电子设备干扰小。 直流伺服电机的输出转速/输入电压的传递函数可近似视为一阶迟后环节,其机电时间常数一般大约在十几毫秒到几十毫秒之间。而某些低惯量直流伺服电机(如空心杯转子型、印刷绕组型、无槽型的时间常数仅为几毫秒到二十毫秒。 小功率规格的直流伺服电机的额定转速在3000r/min以上,甚至大于 10000r/min。因此作为液压阀的控制器需配用高速比的减速器。而直流力矩伺服电机(即低速直流伺服电机可在几十转/分的低速下,甚至在长期堵转的条件下工作,故可直接驱动被控件而不需减速 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便(换碳刷,产生电磁干扰,对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
无刷电机体积小,重量轻,出力大,响应快,速度高,惯量小,转动平滑,力矩稳定。控制复杂,容易实现智能化,其电子换相方式灵活,可以方波换相或正弦波换相。电机免维护,效率很高,运行温度低,电磁辐射很小,长寿命,可用于各种环境。 交流伺服电机也是无刷电机,分为同步和异步电机,目前运动控制中一般都用同步电机,它的功率范围大,可以做到很大的功率。大惯量,最高转动速度低,且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。 交流伺服电机的工作原理 伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数。 交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别? 交流伺服要好一些,因为是正弦波控制,转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单,便宜。 永磁交流伺服电动机 20世纪80年代以来,随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展,各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向,使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后,世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较,主要优点有: ⑴无电刷和换向器,因此工作可靠,对维护和保养要求低。 ⑵定子绕组散热比较方便。
辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计 目录 1、前言 (1) 1.1设计目的 (1) 1.2设计内容 (1) 2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 (2) 2.1伺服系统基本原理及系统框图 (2) 2.2 伺服系统的模拟PD+数字前馈控制 (4) 2.3 伺服系统的程序 (6) 3、仿真波形图 (9) 结论 (12) 心得与体会 (13) 参考文献 (14)
1、前言 1.1设计目的 1、使学生进一步掌握电力拖动自动控制系统的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力； 2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力； 3、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。 1.2设计内容 1、分析和设计具有三环结构的伺服系统，用绘图软件（matlab）画原理图还有波形图； 2、分析并理解具有三环结构的伺服系统原理。
2、伺服系统的基本组成原理及电路设计 2.1伺服系统基本原理及系统框图 伺服系统三环的PID控制原理: 以转台伺服系统为例,其控制结构如图2-1所示,其中r为框架参考角位置输入信号, 为输出角位置信号. 图2-1 转台伺服系统框图 伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构,电机输出轴直接与负载-转动轴相连,为使系统具有较好的速度和加速度性能,引入测速机信号作为系统的速度反馈,直接构成模拟式速度回路.由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路. 转台伺服系统单框的位置环,速度环和电流环框图如图2-2,图2-3和图2-4所示. 图2-2 伺服系统位置环框图 图2-3 伺服系统速度环框图
第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。
1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置
《伺服控制系统课程设计》 指导书 ?动化与电??程学院 ?零??年??
?、伺服控制系统课程设计的意义、?标和程序 (3) ?、伺服控制系统课程设计内容及要求 (5) 三、考核?式和报告要求 (11)
?、伺服控制系统课程设计的意义、?标和程序 （?）伺服控制系统程设计的意义 伺服控制系统课程设计是?动化专业?才培养计划的重要组成部分，是实现培养?标的重要教学环节，是?才培养质量的重要体现。通过伺服控制系统课程设计，可以培养考??所学基础课及专业课知识和相关技能，解决具体的?程问题的综合能?。本次课程设计要求考?在指导教师的指导下，独?地完成伺服控制系统的设计和仿真，解决与之相关的问题，熟悉伺服控制系统中控制器设计与整定、电机建模和仿真和其他检测装置的选型以及?程实践中常?的设计?法，具有实践性、综合性强的显著特点。因?对培养考?的综合素质、增强?程意识和创新能?具有?常重要的作?。 伺服控制系统课程设计是考?在课程学习结束后的实践性教学环节；是学习、深化、拓宽、综合所学知识的重要过程；是考?学习、研究与实践成果的全?总结；是考?综合素质与?程实践能?培养效果的全?检验；也是?向?程教育认证?作的重要评价内容。 （?）课程设计的?标 课程设计基本教学?标是培养考?综合运?所学知识和技能，分析与解决?程实际问题，在实践中实现知识与能?的深化与升华，同时培养考?严肃认真的科学态度和严谨求实的?作作风。使考?通过综合课程设计在具备?程师素质??更快地得到提?。对本次课程设计有以下???的要求: 1.主要任务 本次任务在教师指导下，独?完成给定的设计任务，考?在完成任务后应编写提交课程设计报告。 2.专业知识
交流伺服电机与运动控制卡的接口实验 一、实验目的 1.认知富士交流伺服电机及驱动器的硬件接口电路 2.认知MPC2810运动控制卡的硬件接口 3.掌握驱动器与MPC2810运动控制卡的硬件连接 二、实验器材 MPC2810运动控制卡、富士交流伺服电机及驱动器，数控实验台II,若干导线，万用表 三、实验内容及步骤 有关富士交流伺服电机及驱动器的详细信息参见《富士AC 伺服系统FALDIC-W 系列用户手册》，有关MPC2810运动控制卡的详细信息参见《MPC2810运动控制器用户手册》。 一）、MPC2810运动控制器相关简介 MPC2810运动控制器是乐创自动化技术有限公司自主研发生产的基于PC的运动控制器，单张卡可控制4轴的步进电机或数字式伺服电机。通过多卡共用可支持多于4轴的运动控制系统的开发。 MPC2810运动控制器以IBM-PC及其兼容机为主机，基于PCI总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元。它与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；运动控制器完成运动控制的所有细节（包括直线和圆弧插补、脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。 MPC2810运动控制器配备了功能强大、内容丰富的Windows动态链接库，可方便地开发出各种运动控制系统。对当前流行的编程开发工具，如Visual Basic6.0，Visual C++6.0提供了开发用Lib库及头文件和模块声名文件，可方便地链接动态链接库，其他32位Windows开发工具如Delphi、C++Builder等也很容易使用MPC2810函数库。另外，支持标准Windows动态链接库调用的组态软件也可以使用MPC2810运动控制器。 MPC2810运动控制器广泛适用于：激光加工设备；数控机床、加工中心、机器人等；X-Y-Z控制台；绘图仪、雕刻机、印刷机械；送料装置、云台；打标机、绕线机；医疗设备；包装机械、纺织机
伺服驱动系统设计方案 伺服电机的原理： 伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度{线数)。 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 图3 伺服电动机的转矩特性
交流伺服电机的工作原理 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 4. 什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？ 答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降， 请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？ 答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。 永磁交流伺服电动机 20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： ⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 ⑵定子绕组散热比较方便。 ⑶惯量小，易于提高系统的快速性。 ⑷适应于高速大力矩工作状态。 ⑸同功率下有较小的体积和重量。 自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧 只瘮或摶旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。 到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。 日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000 r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24％降低到7％，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足
直流无刷伺服电机运动控制系统设计 Motionchip是一种性能优异的专用运动控制芯片，扩展容易，使用方便。本文基于该芯片设计了一款可用于直流有刷/无刷伺服电机的智能伺服驱动器，并将该驱动器运用到加氢反应器超声检测成像系统中，上位机通过485总线分别控制直流有刷电机和无刷电机，取得了很好的控制效果，满足了该系统的高精度要求。 在传统的电机伺服控制装置中，一般采用一个或多个单片机作为伺服控制的核心处理器。由于这种伺服控制器外围电路复杂，计算速度慢，从而导致控制效果不理想。近年来，许多新的电机控制算法被研究并运用于电机控制系统中，如矢量控制、直接转矩控制等。随着这些控制算法的日益复杂，必须具备高速运算能力的处理器才能实现实时计算和控制。为了适应这种需要，国外许多公司开发了控制电机专用的高档单片机和数字信号处理器（DSP）。现在，通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP和大规模可编程逻辑器件组成，这种方案可以根据不同需要，灵活的设计出性能很好的专用伺服控制器，但是一般研制周期都比较长。 MotionChip的特点 MotionChip是瑞士Technosoft公司开发的一种高性能且易于使用的电机运动控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外围设置了许多电机伺服控制专用的可编程配置管脚。TMS320C240是美国TI公司推出的电机控制专用16位定点数字信号处理器，其具有高速的运算能力和专为电机控制设计的外围接口电路。MotionChip很好的利用了该DSP的优点，并集成多种电机控制算法于一身，以简化用户设计难度为目的，设计成为一种新颖的电机专用控制芯片。MotionChip有着集成全部必要的配置功能在一块芯片的优点，它是一种为各种电机类型进行快速和低投入设计全数字、智能驱动器的理想核心处理器。具有如下特点： ?可用于控制5种电机类型：直流有刷/无刷电机、交流永磁同步电机、交流感应电机和步进电机，且易于嵌入到用户的硬件结构中； ?可以选择独立或主从方式工作，并可根据需要，设置成通过网络接口进行多伺服控制器协同工作； ?全数字控制环的实现，包括电流/转矩控制环、速度控制环、位置控制环； ?可实现各种命令结构：开环、转矩、速度、位置或外环控制，步进电机的微步进控制，并可实现控制结构的配置，其中包括交流矢量控制； ?可以配置使用各种运动和保护传感器（位置、速度、电流、转矩、电压、温度等）； ?使用各种通讯接口，可以实现RS232/RS485通讯、CAN总线通讯； ?基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平台，强大功能的IPM Motion Studio 高级图形编程调试软件：可通过RS232快速设置，调整各参数与编程运动控制程序。其功能强大的运动语言包括：34种运动模式、判决、函数调用，事件驱动运动控制、中断。因此便于开发和使用。 ?可以通过动态链接库TMLlib,利用VC/VB实现PC机控制；也可以与Labview和PLC无缝连接，通过动态链接库，用户可以在上层开发电机的控制程序，研究控制策略。 运动控制系统设计
伺服电机控制系统 对于数字化伺服电机控制系统，转矩环的性能直接影响着系统的控制效果，电流采样的精度和实时性很大程度上决定了系统的动、静态性能，精确的电流检测是提高系统控制精度、稳定性和快速性的重要环节，也是实现高性能闭环控制系统的关键。在伺服电机控制系统中，电流检测的方案有多种，常见的一种方案是使用霍耳传感器[1]，将电流信号经过电磁转换，变换为直流电压信号输出，然后，通过运放和比较器构成的处理电路处理后，输入到处理器；另一种方案是，取采样电阻两端的电压，经线性光藕或者隔离放大器进行信号隔离，调理后接A/D转换器输入进行数字化，获取电流的采样值，而数字化的过程即可以利用处理器中的A/D转换通道实现[3] [4]，也可以利用根据原理实现的模拟量直接转换为数字量的隔离调制芯片来实现[2]。本文通过对这三种方案分别进行电路设计和具体实验后所得结果的比较分析，对三种方案各自的特点有了清晰的认识，这有利于基于不同的条件选择合适的方案来提高伺服控制系统的整体性能。 2 伺服电机控制系统简介
本系统采用交直交电压型变频电路，主电路由整流电路、滤波电路及智能功率模块IPM逆变电路构成，控制部分以DSP 芯片TMS320LF2812为核心，CPLD作为辅助处理模块，构成功能齐全的全数字矢量控制系统，系统结构如图1所示，从图1可以看出，本系统是一个有电流、转速和位置负反馈的三闭环系统， DSP负责采样各相电流，计算电机的转速和位置，最后运用矢量控制算法，得到电压矢量PWM控制信号，经过光藕隔离电路后，驱动逆变器功率开关器件；同时DSP 还监控变频调速系统的运行状态，当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时，DSP将封锁SVPWM信号，使电机停机，并通过LED显示。CPLD模块负责对光栅尺反馈的位置信息和上位机发送脉冲形式指令信息进行滤波和计数，并将数据以总线方式传送给DSP；同时处理键盘输入和显示输出，以及开关量的输入输出。 伺服电机控制系统中电流采样的作用就是检测交流同步 电动机的三相定子电流并转换成相应的信号输入到DSP中，再由DSP的AD模块转化成数字量进行处理。因为本文研究的是三相平衡系统Ia＋Ib+Ic=0，因此只要检测其中的两路电流，就可以得到三相电流。
?、伸缩缝损坏现状 伺服驱动系统设计方案 伺服电机的原理: 伺服的基本概念是准确、精确.快速定位。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。；^^子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间柑差90°电角度。 伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的U/V/W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反惯值与目标值进行比较，调整转子转动的角度0伺服电机的精度决世于编码器的精度｛线数）。 伺服电动机又称执行电动机?在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出.其主要特点是，当信号电压为零时无自转现彖.转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机/可使控制速度，位置精度非常准确。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转"现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时.如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点: lx起动转矩大 由于转子电阻大，苴转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2 相比，有明显的区别。它可使临界转差率so>r这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩0因此，当;^子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度髙的特点。
交流永磁同步直线电机介绍及其控制系统设计 制造业中需要的线形驱动力，传统的方法是用旋转电机加滚珠丝杠的方式提供。实践证明，在许多高精密、高速度场合，这种驱动已经显露出不足。在这种情况下直线电机应运而生。直线电机直接产生直线运动，没有中间转换环节，动力是在气隙磁场中直接产生的，可获得比传统驱动机构高几倍的定位精度和快速响应速度。 本文是在我系研制的同步直线电机基础上进行基于矢量变换控制的驱动系统设计应用。 2. 交流永磁工作原理 直线电机的工作原理上相当于沿径向展开后的旋转电机。交流永磁同步直线电机通入三相交流电流后，会在气隙中产生磁场，若不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布。行波磁场与次级相互作用产生电磁推力，使初级和次级产生相对运动。图1所示为开发设计的交流永磁同步直线电机。 3. 永磁同步直线电机矢量控制原理 由于矢量控制动态响应快，相比较标量控制，在很快的时间内就能达到稳态运行。经过30多年工业实践的考验、改进与提高，目前已经达到成熟阶段[3]，成为交流伺服电机控制的首选方法。因此，直线电机采用了交流矢量控制驱动的方法。
直线电机初级的三相电压（U、V、W相）构成了三相初级坐标系（a，b，c 轴系），其中的三相绕组相角相差120?，即在水平方向上互差1/3极距。参照旋转电机矢量变换理论，设定两相初级坐标系（α-β轴系），由三相初级坐标系到直角坐标系转换称为Clark变换，见式（1）。 从静止坐标系到旋转坐标系的变换称为Park变换，见式（2）。反之称Park 逆变换。 θ是d轴与轴的夹角。根据旋转电机的Park变换理论和两电机结构比较。由于电机运动部分的不同，故直线电机动子相当于旋转电机定子，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一起同步旋转。在直线电机中，由运动相对性原理，动子的直线运动，
毕业论文设计 题目：数控机床交流伺服控制系统设计 姓名： 所在系部： 班级名称： 学号： 指导老师： 2011年12月
毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目：数控机床交流伺服控制系统设计 指导教师：职称：类别：毕业论文 学生：学号：设计（论文）类型：论文 专业：机电一体化班级：是否隶属科研项目：否 1、设计（论文）的主要任务及目标 毕业设计/论文是本专业教学计划中重要的、最后的一个综合性的教学环节，其主要目标是：培养和提高学生综合运用所学的专业基础知识、专业理论知识和专业基本技能来分析、解决实际问题以及动手操作的能力，使得学生对数控机床交流伺服控制系统的设计有相当的认识深度；并学会查阅专业资料，能正确阅读外文相关科技文献，对设计研究的课题进行深入分析；也使学生在思想作风、学习毅力和工作作风上受到一次良好的锻炼。通过本课题的研究，使同学们能够领会交流伺服系统的原理和伺服驱动器的应用，进一步掌握交流伺服电机的工程应用、系统设计方法和调试实现过程，为毕业后能尽快适应机电一体化专业的相关工作打下良好的基础。 2、论文的主要内容 (1)交流伺服系统现状与发展、应用介绍； (2)交流伺服系统的组成、分类、结构等； (3)交流伺服电机及交流伺服驱动器技术基本介绍、电机及伺服驱动器选型； (4)数控机床交流伺服系统设计与调试。 3、论文的基本要求 （1）完成数控系统功能设定； （2）完成交流伺服电机及伺服驱动器的选型； （3）完成数控机床交流伺服系统总体设计； （4）完成数控机床交流伺服系统电气连接图、电气回路设计； （5）完成数控机床交流伺服控制系统参数整定与调试； （6）具有运用电气控制技术、交流伺服技术、仿真技术等理论知识进行研究和系统设计（论文）的能力； （7）具有收集参考资料加以消化、归纳的能力； （8）具有调研、收集、查阅资料、分析判断确定设计/论文方案的能力； （9）具有归纳、整理技术资料，撰写技术文件的能力；
(一) PMSM 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ?=+-????=++?? 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 cos sin 22cos()sin()3322cos()sin()33a d b q c u u u u u θθθπθπθπθπ?? ?-????? ??=--- ? ???? ???? ?+-+? ? (2)d/q 轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψψ=+???=?? 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。
伺服驱动系统设计 方案
伺服驱动系统设计方案 伺服电机的原理： 伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度{线数)。 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。可是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，
但前者的转子电阻比后者大得多，因此伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不但使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 图3 伺服电动机的转矩特性 2、运行范围较宽 如图3所示，较差率S在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。 3、无自转现象 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）如图4所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性
永磁同步直线电机矢量控制系统中初始寻相和电角度的测定 摘要：介绍了永磁同步直线电机的结构。根据矢量控制的特点和要求，提出了一种基于增量式位置传感器的初始寻相和电角度测量方法，并经试验加以验证。 关键词：初始寻相；电角度测定；矢量控制；永磁电机；同步电机；直线电机；实验 O 引言 永磁同步交流直线电机由于其行程长、推力大、响应快等优点，在机械装备中越来越受到重视。 永磁交流直线电机系统存在多个电磁变量和机械变量，在这些变量之间存在较强的耦合作用。为了提高控制效果，获得良好的动态调速特性，矢量控制技术成为永磁直线电机系统中重要的控制手段。 对于永磁同步直线电机矢量控制系统，初始寻相和电角度的测量是影响系统性能的关键之一”如果系统上电时无法精确测定电机的初始相位或者在运行时不能精确测定电机的电角度，系统将无法正确完成直线矢量控制的一系列算法，导致直线电机运动混乱，甚至无法起动。本文针对这个问题，提出了一种基于增量式位置传感器的初始寻相和电角度测量方法。 1永磁同步直线电机及其矢量控制系统 根据永磁体的安装位置，永磁同步直线电机分为表面磁极型和内部磁极型。用于伺服目的的一般采用表面磁极的结构；其凸极效应很弱，气隙均匀且有效气隙大。图1为其结构简图。 在定子表面交错排列着不同极性的铷铁硼磁体。 对于永磁同步旋转电机，矢量控制的中的d轴方向沿着转子上永磁体的磁极方向，q轴超前d轴90。 电角度。永磁同步直线电机可以看成是将永磁同步旋转电机沿轴向剖开而形成的。据此可以确定永磁同步直线电机的d轴和q轴的位置，如图1所示，电角度θ就是d轴和q轴间的夹角。
永磁同步直线电机的矢量控制系统的完薹结构则如图2所示。矢量控制一般采用id=O的控制策略，即控制初级电枢电流矢量在d—g坐标系中的d轴分量为零。此外由于电机的d轴和q轴电压分量仍然存在耦合，需要采用前馈补偿的方法进行接耦。由图2可以看出，电角度θ主要用在2s／二R和2R／2s 变换中。由此可见，直线电机在起动对的初始相位以及在运行时的电角度，是实现矢量控制的重要参数。两参数能否精确测定，关系到矢量控制系统能否实现。 2 电机初始寻相的实现 直线电机在起动时，动子的位置具有不确定性。直线伺服系统中一般采用增量式光栅尺作为位置传感器，无法确定动子的绝对位置及电机的初始相位角。对于直线伺服系统一般还需要一个确定的机械零点；对于增量式系统，每次上电后都需要进行回零点操作，之后才能建立起坐标系统。 为了让直线电机有一个确定的机械零点，可以在直线电机端部安装一个接近开关，并保证在接近开关能检测到的范围内光栅尺有一个z轴脉冲。将光栅尺的z轴脉冲和接近开关的输出信号进行逻辑与，用