交流永磁直線電機(jī)及其伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開題報(bào)告班級(jí)：機(jī)0405姓名：何金樹指導(dǎo)老師：劉泉一、綜述1、研究的意義直線電機(jī)技術(shù)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需要通過中間任何轉(zhuǎn)換裝置的新穎電機(jī)，它具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損少、噪音低、組合性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)所有的品種，直線電機(jī)技術(shù)幾乎都有相對(duì)應(yīng)的品種。其應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。在一些它能獨(dú)特發(fā)揮作用的地方，取得了非常令人滿意得效果。隨著微電子、電力電子技術(shù)、永磁材料技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)系統(tǒng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，國(guó)外著名電器（氣）公司相繼推出并不斷完善、更新各自的直線電機(jī)系統(tǒng)。其應(yīng)用十分廣泛，如列車驅(qū)動(dòng)、物料運(yùn)送、機(jī)床工作、食品和輕工機(jī)械、自動(dòng)繪圖儀、液壓金屬泵、空氣壓縮機(jī)、電磁炮、家用電器以及半導(dǎo)體器件等。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)直線電機(jī)在技術(shù)上有很大的差距，在市場(chǎng)上有很大的潛力，1所以做這個(gè)題目有很大的實(shí)際意義。2、直線電機(jī)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀直線電機(jī)的發(fā)展主要經(jīng)歷了探索、實(shí)驗(yàn)、開發(fā)應(yīng)用以及實(shí)用商品化四個(gè)階段:探索階段(1886一1929)19世紀(jì)末20世紀(jì)初，N.Tesla研究了一系列運(yùn)動(dòng)電磁場(chǎng)方面的技術(shù)，并開始了直線電機(jī)方面的研究工作。值得注意的是，在該階段，部分研究者不僅從理論上研究了直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，并且進(jìn)行了各種應(yīng)用方面的初步研究，但大多數(shù)以失敗告終。如當(dāng)時(shí)用直線電機(jī)來推動(dòng)織布機(jī)上的梭子，或作為鐵路列車的動(dòng)力，均未獲得成功。直到1915年，蘇聯(lián)的齊亞夫完成了最早的水銀用電磁泵。把直線電機(jī)的原理性試驗(yàn)向前推進(jìn)了一大步。實(shí)驗(yàn)階段(1930一1940)在這個(gè)階段，直線電機(jī)受到更多重視，一度出現(xiàn)了直線電機(jī)熱。如1930年美國(guó)的Bachelet獲得雙邊型直線電機(jī)專利；1931年德國(guó)Einstein等人獲得直線電磁泵專利；1934年美國(guó)Hase完成直線電磁炮。在這個(gè)階段即將結(jié)束時(shí)，美國(guó)西屋公司發(fā)生了著名的電動(dòng)牽引機(jī)(electropult)失敗事件。失敗的原因首先是其相關(guān)技術(shù)尚不完善，其次是沒有能夠充分掌握直線電機(jī)的特性。但是，西屋公司在實(shí)際應(yīng)用方面的嘗試給后人提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。開發(fā)應(yīng)用階段(1945一1969)這一階段可以說是直線電機(jī)的“文藝復(fù)興時(shí)期”?？刂萍夹g(shù)和材料技術(shù)的快速發(fā)展加快了直線電機(jī)的開發(fā)應(yīng)用。如日本基于直線電機(jī)的新干線技術(shù)的成功，使感應(yīng)式直線電機(jī)開始應(yīng)用在高速鐵路上。1963年后，隨著控制技術(shù)和材料性能的顯著提高，出現(xiàn)了一些應(yīng)用直線電機(jī)的實(shí)用機(jī)械。如1963年日本鐘通先生成功研制雙邊型直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)；1965年美國(guó)SkinnerPreci公司開始出售圓柱型直線電機(jī)；1968年開始出現(xiàn)直線步進(jìn)電機(jī)，并應(yīng)用在自動(dòng)繪圖儀上；還有MHD泵，磁頭定位驅(qū)動(dòng)裝置，電唱機(jī)，縫紉機(jī)，空氣壓縮機(jī)，輸送裝置等等。實(shí)用商品化階段(1970一至今)從1970年開始，直線電機(jī)終于進(jìn)入了使用商品化時(shí)代。例如在核動(dòng)力的發(fā)展過程中，需要抽吸鈉鉀混合物之類的液態(tài)金屬，產(chǎn)生了作為輸送和攪拌液態(tài)金屬的直線電機(jī)電磁泵。隨著超高速運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展，直線電機(jī)應(yīng)用于磁浮列車，以及鋼管輸送機(jī)，運(yùn)煤機(jī)，電動(dòng)門，電動(dòng)窗，電動(dòng)編織機(jī)，起重機(jī)，空壓機(jī)，沖壓機(jī)，電梯等。23直線電機(jī)的控制介紹永磁直線同步電機(jī)由于采用永磁體勵(lì)磁，在有槽電機(jī)中會(huì)產(chǎn)生推力紋波、齒槽效應(yīng)和端部效應(yīng)。為了減小推力紋波，應(yīng)使永磁同步直線電機(jī)的初級(jí)電流和空載反電勢(shì)波形盡量接近正弦形。構(gòu)造正弦波形氣隙磁密或選擇合適的次級(jí)磁鐵形狀及布置方式都能使初級(jí)反電勢(shì)波形接近正弦波形。提高電機(jī)推力密度的同時(shí)如何減小齒槽力是永磁直線電機(jī)要解決的問題，研究表明通過優(yōu)化永磁體極距寬度、采用磁鋼斜排、增大氣隙、采用無槽結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鐵心長(zhǎng)度等措施可以減小或消除齒槽力，但某些措施的采用會(huì)造成其它性能的減弱。為了研究端部效應(yīng)對(duì)電機(jī)性能的影響，許多學(xué)者在建立直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)將端部效應(yīng)的因素考慮進(jìn)去，減小端部效應(yīng)可以從結(jié)構(gòu)（如加入補(bǔ)償繞組、改變端部形狀）和控制（端部效應(yīng)補(bǔ)償）兩方面采取措施?；谏鲜隹刂菩酒軌?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制，目前直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)采用的控制策略分析如下：1傳統(tǒng)的控制策略在直線永磁交流伺服電機(jī)系統(tǒng)中存在著多個(gè)電磁變量和機(jī)械變量，在這些變量之間存在較強(qiáng)的耦合作用，為了提高控制效果，在交流伺服系統(tǒng)中通常要求實(shí)現(xiàn)矢量控制，矢量控制就是將三相電流矢量分解為兩個(gè)獨(dú)立的電流分量，以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。一般是使磁場(chǎng)分量為零，使輸出力與交軸電流具有線性關(guān)系。電流矢量與速度反饋回路也有耦合作用，在動(dòng)態(tài)過程中，可以采用解耦控制算法加以解決，使各變量間的耦合減小到最低限度，以使各變量都能得到單獨(dú)的控制。2現(xiàn)代控制方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各種機(jī)械零件的加工精度要求愈來愈高，必須考慮控制對(duì)象參數(shù)乃至結(jié)構(gòu)的變化、非線性的影響、運(yùn)行環(huán)境的改變以及環(huán)境干擾等時(shí)變的不確定因素，才能得到滿意的控制效果。在實(shí)際應(yīng)用需求的呼喚下，在計(jì)算機(jī)高速度、低成本所提供的良好物質(zhì)條件下，一系列現(xiàn)代控制方法應(yīng)運(yùn)而生，并應(yīng)用于實(shí)際中，如非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、預(yù)見控制、魯棒控制、辨識(shí)算法。現(xiàn)代控制算法都有很強(qiáng)的針對(duì)性和復(fù)雜的算法，選擇時(shí)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)合和控制性能要求選擇相應(yīng)的控制策略。3智能控制算法從60年代起，為了提高控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力，人們開始注意將人工智能技術(shù)與方法應(yīng)用于控制系統(tǒng)。對(duì)控制對(duì)象、環(huán)境與任務(wù)復(fù)雜的系統(tǒng)宜采用智能控制方法。綜上所述，可以看出直線電機(jī)的控制算法運(yùn)算量較大，而且在高速加工進(jìn)給系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)。因此，要提高直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的總體性能，應(yīng)選擇高性能的運(yùn)算單元和伺服控制方案。在高速加工中心進(jìn)給系統(tǒng)中通常采用全數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以PC機(jī)作為基本平臺(tái)，采用DSP實(shí)現(xiàn)伺服控制。4.DSP處理器數(shù)字信號(hào)處理器（digitalsignalprocessor，DSP），是指用于數(shù)字信號(hào)處理的可編程微處理器，是微電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)這3門學(xué)科綜合研究的成果。在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中，自適應(yīng)控制、擴(kuò)展卡爾曼濾波、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代控制理論與全數(shù)字化控制技術(shù)相結(jié)合，成為高性能控制系統(tǒng)發(fā)展的必由之路。DSP以其高速計(jì)算能力和特殊的硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)在許多應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)取代了工控機(jī)和單片機(jī)，成為控制系統(tǒng)的核心。世界上第一塊DSP是1978年AMI公司的S2811，1979年美國(guó)Intel公司宣布生產(chǎn)的商用可編程期間2920是DSP芯片的一個(gè)主要標(biāo)志。但是這兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP所必須的單周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出的PD7720是第一片具有硬件乘法器的商用DSP芯片。美國(guó)德州儀器公司（TI公司）在1982成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品。作為交流伺服控制系統(tǒng)的核心，我們選用TMS320C2000系列芯片。TMS320C2000DSP平臺(tái)將各種高級(jí)數(shù)字控制功能集成在一塊IC上。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和控制能力可以大幅度提高應(yīng)用效率和降低功耗。TMS320F2812DSP是工業(yè)界首批32位控制專用、內(nèi)含閃存以及高達(dá)150MIPS的數(shù)字信號(hào)處理器，專門為工業(yè)自動(dòng)化、光學(xué)網(wǎng)絡(luò)及自動(dòng)化控制等應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它整合了DSP和微控制器的最佳特性，能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成3232位的乘法累加運(yùn)算，或兩個(gè)1616位乘法累加運(yùn)算。此外，由于器件集成了快速的中斷管理單元，使中斷延遲時(shí)間大幅度減少，滿足了適時(shí)控制的需要。二、研究?jī)?nèi)容1、研究方向：交流永磁直線電機(jī)及其伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2、研究?jī)?nèi)容：本設(shè)計(jì)主要完成以下內(nèi)容：1.設(shè)計(jì)一臺(tái)小型直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)；2對(duì)交流直線電機(jī)伺服控制單元硬件結(jié)構(gòu)的構(gòu)建；3.進(jìn)行交流伺服控制單元的軟件程序編制。4.解決防護(hù)、制動(dòng)、運(yùn)動(dòng)限位等問題。3、成果形式：1、控制系統(tǒng)電路圖1張，2#；2、直線電機(jī)裝配圖1張，1#；3、直線電機(jī)零件圖4張，3#；4、控制程序流程圖1張，1；5、控制程序。三、實(shí)現(xiàn)方法及預(yù)期目標(biāo)1、初步方案：1、弄懂直線電機(jī)的矢量控制原理；2、掌握DSP的開發(fā)環(huán)境和編寫控制程序；3、進(jìn)行控制電路圖的設(shè)計(jì)；4、進(jìn)行直線電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2、設(shè)計(jì)難點(diǎn)：1、本設(shè)計(jì)中采用C語言編程的方法，利用CCS3.1集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序調(diào)試。2、由于屬非自動(dòng)化學(xué)生，DSP的開發(fā)環(huán)境、C語言需要從頭學(xué)起。畢業(yè)設(shè)計(jì)的難度較大。四、對(duì)進(jìn)度的具體安排13周：調(diào)研，熟悉直線電機(jī)控制課題的研究方向、查閱有關(guān)中英文資料，寫出調(diào)研報(bào)告，完成英文翻譯；確定初步方案，寫開題報(bào)告；第4周：完成開題報(bào)告；翻譯；控制原理圖；57周：細(xì)化方案，編寫程序，繪制電路草圖等；810周：完成進(jìn)行直線電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1115周：教師審查修改圖紙，安排加工；論文