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精密伺服永磁同步电动机系统及其低速力矩平稳性能研究

作　者: 刘超
导　师: 孙立志
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 齿轮测量装置永磁同步电动机力矩波动磁极形状优化滑模变结构控制死区效应补偿
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

计算机数字控制(Computer Numerical Control,CNC)齿轮测量装置作为齿轮、刀具等现代工业零部件的测量平台,在保证机械加工精度和产品质量方面起到关键作用。为了实现高精度测试,齿轮测量装置对于旋转轴电动伺服系统的低速性能和力矩平稳性有严格的要求。永磁同步电动机具有功率/体积比大的优点,同时具有接近直流电动机的调速性能,近些年来永磁同步电动机在CNC齿轮测量装置中逐步取代直流电动机作为旋转轴电动伺服系统。本文主要研究工作是围绕适应齿轮测量装置对永磁同步伺服电动机系统的低速性能、力矩平稳性能需求展开的。本文首先对永磁同步电动机本体进行优化设计。研究齿槽转矩产生的机理;在此基础上分析了极数和槽数的组合对齿槽转矩的影响,通过合理选择极数和槽数组合来削弱齿槽转矩。从不等厚磁钢设计思想出发,对永磁同步电动机气隙磁场进行了优化设计,使电机空载反电动势呈正弦分布以及降低由较低次气隙磁场谐波引起的力矩波动成分。结合永磁同步电动机的数学模型并在此基础上讨论了永磁同步电动机的矢量控制理论及电流控制方案,分析空间矢量脉宽调制(SVPWM)的基本原理并给出其实现方法,并且对低速大力矩永磁同步电动机的运行中的问题进行了分析。从滑模变结构理论出发,针对永磁同步电动机矢量控制系统,设计基于边界层法的滑模变结构速度环控制器,相对于常规滑模控制器,能够克服在滑模面附近的高频抖振,提高了稳态精度。分析死区效应对力矩波动的影响,通过合理判断定子电流矢量所在扇区补偿平均误差电压,从而减小死区效应引起的电流畸变。在Matlab仿真平台下建立了永磁同步电动机矢量控制系统的仿真模型,并在此基础上进行PID控制器和滑模变结构控制器的对比仿真分析,及死区效应补偿方法仿真分析。最后对以TMS320F2812为核心控制芯片的全数字化永磁同步电机控制系统进行了硬件和软件设计,对控制系统硬件和软件各部分的结构和功能作了详细阐述。建立低速、大力矩的永磁同步伺服电动机系统实验平台,并进行了实验研究。实验结果验证了理论和仿真分析的正确,实验和仿真结果均表明本系统具有良好的动静态特性以及较高的精度。可以满足齿轮测量装置旋转轴伺服系统的需要。

精密伺服永磁同步电动机系统及其低速力矩平稳性能研究

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