开题报告
- 选题背景与意义
直线运动是各种工业和家用自动化系统中需要实现的基本运动形式之一。永磁同步直线电机能够提供直接直线驱动、不用中间传动变换等环节,具有系统刚度高、大推力、快速响应特性好、高速情况下可以实现精密定位、节能、免维护等突出优点。自20世纪90年代以来,永磁同步直线电机直接驱动技术己成为新一代高效高精度电子装备、数控机床和其他机电一体化产品中最具代表性的先进技术之一,应用领域日益扩大,如卫星、太空舱空间传动装置、各类数控机床、产业装备、机器人、自动门、高速轨道交通等。
然而,永磁同步直线电机也存在推力波动大的明显缺点。永磁同步直线电机由于其电枢铁芯两端开断产生端部效应,一方面,铁芯的两端存在不平衡的与转子磁极间的铁磁吸引力,即产生所谓端部力,同时,端部开断造成各相绕组间参数的不对称,形成电磁推力的端部效应波动力。端部效应是永磁同步直线电机特有的现象,也因此使得其相比传统的旋转电机存在可控性差的困难另外,和旋转伺服电动机一样,永磁同步直线电机也存在由于铁芯开槽而产生的齿槽效应力,端部力和齿槽力由于其在绕组无激励电流的情况下也存在,其合力表现为静磁阻力,是造成永磁同步直线电机推力波动大的主要原因。与静磁阻力相对应,电磁推力脉动或电磁推力纹波是在电机运行即有激励电流状态下产生的,这一波动力除端部效应影响外,另一主要来源是初级电枢电流与次级磁极间的交链磁场耦合作用,因此它与次级磁场分布有关,是随位置和电枢电流变化的波动力。
直线电机采用直接驱动方式,推力波动缺乏中间机械传动环节的缓冲或阻尼机制作用, 而是直接作用于电机本身,严重影响电机的运行性能、恶化电机的控制特性,与其高速高精伺服传动的应用目标产生较大矛盾。直线电机的推力波动大的特性将直接影响伺服控制系统的 定位精度和低速时的速度平稳性,产生系统振动和噪声。针对永磁同步直线电机所存在的由端部效应 、齿槽效应等产生的推力波动大的缺陷,需要对各种影响因素进行深入分析,研究各种结构措施和有效的设计方法,大幅度降低推力波动水平,改善其静推力特性。因此,推力波动的优化设计研究对提高永磁同步直线电机控制性能,降低控制耗费,扩大直线电机应用领域具有重要意义 。
- 国内外研究现状
目前，国内外对直线电机推力波动的抑制研究主要从本体结构设计和控制策略两方面进行。本体结构设计主要通过对电机拓扑结构的改变来抑制推力波动，如倾斜永磁体或线圈[5-8]、改变永磁体形 状[9-10]、磁极错位[11-12]、调节永磁极距[13]等方法。文献[7]分析倾斜永磁体对推力波动的抑制作用，优化永磁体倾斜角度抑制推力波动；文献[10]采用梯 形永磁体，并进行参数优化实现推力波动抑制；文献[13]调节永磁体极距以减小推力波动并对调节极距给其他指标带来的影响进行分析。
韩国、日本学者以及相关机构对磁阻力进行了分析与优化，通过大量的实验研究，提出了直线电机推力波动的抑制措施。
新加坡国立大学的 K.K.Tan 等几位研究学者通过在开环直线电机系统下，为获得直线电机的位置输出，对其施以直流电压，并利用单一下山法建立推力波动模型，并基于这个函数设计前馈补偿器 RC。
加州伯克利的研究者利用迭代反馈器整定的方法设计了抑制推力波动的前馈补偿器。利用实验数据进行整定修正，在经过多次迭代过程中建立输入参数与跟踪误差之间的关系，并不断根据上一步的结果优化下一步动作
在国内，许多专家和学者也对直线电机的推力波动进行了较多的研究。清华大学的李庆雷、王先逵，沈阳工业大学的刘爱民等分析了永磁同步直线电机推力波动的机理,指出选择适当的初级电流控制策略，合适的次级磁铁充磁方式、磁铁形状及排列方式可以有效地削弱推力波动。山东大学孙雨萍等在电枢电流为正弦的条件，对采用定、动子极距不等的方法来降低推力波动；为了减小齿槽力的 波动浙江大学的邵波、曹志彤提出了基于 BP 神经网络的永磁直线同步电机齿槽力预估 器，得到齿槽力波幅系数与槽高、槽宽和气隙的关系曲线；浙江大学潘开林等对直线 电机磁阻力做了大量的分析和实验研究；为了减小端部效应引起的推力波动，沈阳工业大学的夏加宽等引入学习前馈控制补偿技术，设计 B 样条网络学习前馈补偿控制有 效的克服了端部效应产生的推力波动对系统的影响；采用 IP 反馈控制和神经网络给定 补偿控制相结合的复合控制方法，杨开明等设计了一种基于跟踪误差分离的推力波动 前馈补偿器来抑制推力波动的影响。目前虽出现了多种抑制推力波动的方法，但均存 在一定的局限性，因而针对这一问题的研究工作仍将持续进行下去。
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