交流永磁同步直线电机介绍及其控制系统设计.doc

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,
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向左直线运动,固定在定子上的坐标系也和定子一起相对于动子相对于动子向左运动。动子内部的行波磁场相对于动子本身是向左运动,这样站在固定在定子上的坐标系上观察此同步电机的行波磁场则是静止的。于是让d轴位于次级永磁体N极轴线上,q轴则超前d轴90?,也就是极距的1/4。θ由直线电机运动时动子所处的位置决定。
 

根据直