本科生畢業(yè)論文-基于pid的直線電機位置控制

1、<p><b>　　福州大學至誠學院</b></p><p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　題 目： 基于PID的直線電機位置控制 </p><p>　　姓 名： 博 士 </p><p>　　學 號： 211302

2、180 </p><p>　　學 院： 電氣工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 </p><p>　　年 級： 2013級 </p><p>　　指導(dǎo)教師： <

3、;/p><p>　　2017年5 月24 日</p><p><b>　　獨創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計（論文）是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的。文中引用他人研究成果的部分已在標注中說明；其他同志對本設(shè)計（論文）的啟發(fā)和貢獻均已在謝辭中體現(xiàn)；其它內(nèi)容及成果為本人獨立完成。特此聲明。</p><p>　　論文作者

4、簽名： 日期： </p><p>　　關(guān)于論文使用授權(quán)的說明</p><p>　　本人完全了解福州大學至誠學院有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學院有權(quán)保留送交論文的印刷本、復(fù)印件和電子版本，允許論文被查閱和借閱；學院可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其他復(fù)制手段保存論文。保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定。</p>

5、<p>　　論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： </p><p>　　基于PID的直線電機位置控制</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在學習直線電機的時候，我們會發(fā)現(xiàn)越老越傳統(tǒng)的直線驅(qū)動系統(tǒng)一般都是采用旋轉(zhuǎn)電機通過中間的轉(zhuǎn)換為直線運動的，但是這些系統(tǒng)不

6、是一個統(tǒng)一體，中間往往存在一些轉(zhuǎn)換機構(gòu)，就像能量傳遞一樣會流失，這樣使得系統(tǒng)會存在效率變低，精度不夠的情況。而直線電機是不需要中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的，所以不存在像傳遞能量一樣的流失，可以直接將電能轉(zhuǎn)變成機械能。所以精度高，結(jié)構(gòu)輕盈簡單響應(yīng)快速度快是它的特點。直線電機所具備的優(yōu)點不僅彌補了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機的缺陷，還具備了一些傳統(tǒng)電機所無法達到的優(yōu)點，使得直線電機越發(fā)得到重視，為其發(fā)展開辟了一條新道路。但是，又因為它簡單輕盈，所以它內(nèi)部還是相對簡單的，

7、于是就沒有中間緩沖過程，一些參數(shù)的抖動，還有負載擾動等一些不確定因素對直線電機的影響很敏感，就一點點變化就會對控制器帶來一定的麻煩。最開始的PID控制器使用方便，結(jié)果簡單易懂，使用方法操作簡單導(dǎo)致它能在各個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　通過對PID控制器參數(shù)的不斷整定與改善，最終在Matlab仿真中能對直線電機位置進行精確，快速的控制。最后將PID參數(shù)放在實驗平臺上驗證，實驗結(jié)果表明所搭建的直線電機

8、仿真模型是準確有效的，所設(shè)計的控制器是可靠和精確的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直線電機，位置控制，PID控制器，Matlab仿真</p><p>　　The position control of the linear motor based on PID</p><p><b>　　Abstract</b></p><

9、p>　　In the study of the linear motor, we will find that the older the traditional linear drive system are generally adopts rotating motor through the middle of the converted into linear motion, but not a continuum of

10、these systems, there are often some transformation among agencies, like the energy transfer will be lost, so that the system will exist lower efficiency, accuracy is not enough.And linear motor is does not require interm

11、ediate conversion mechanism, so there is no like energy loss, can d</p><p>　　Based on the PID controller parameter setting and improve constantly, finally in the Matlab simulation of linear motor position ac

12、curately, fast control.Finally put the PID parameters on the experiment platform, the experimental results show that the simulation model is set up by the linear motor is accurate, effective and the designed controller i

13、s reliable and accurate.</p><p>　　Key words: linear motor, position control, PID controller, Matlab simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b>

14、;</p><p>　　1.1 課題研究的目的與意義1</p><p>　　1.2 直線電機的發(fā)展歷程1</p><p>　　1.3 直線電機在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3.1 直線電機在國外的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.2 直線電機在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀2</p>&l

15、t;p>　　1.4 直線電機的控制策略2</p><p>　　1.5 論文的主要工作內(nèi)容3</p><p>　　第2章 直線電機的結(jié)構(gòu)和工作原理5</p><p>　　2.1 直線電機的結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.2 直線電機的工作原理5</p><p>　　2.3 本章小結(jié)6</p>

16、<p>　　第3章 直線電機的數(shù)學模型及性能分析7</p><p>　　3.1 直線電機矢量控制的坐標變換7</p><p>　　3.1.1 坐標系7</p><p>　　3.1.2 Clark變換原理7</p><p>　　3.1.3 Park變換原理9</p><p>　　3.2 永磁同步直

17、線電機的數(shù)學模型搭建10</p><p>　　3.2.1 永磁同步直線電機在d-q坐標系下的數(shù)學描述10</p><p>　　3.2.2 永磁同步直線電機在Matlab的仿真圖12</p><p>　　3.3 脈沖寬度調(diào)制模塊12</p><p>　　3.4 本章小結(jié)13</p><p>　　第4章 基于PI

18、D控制器的直線電機位置控制14</p><p>　　4.1 采用雙閉環(huán)的直線電機控制模塊14</p><p>　　4.2 永磁同步直線電機的控制器設(shè)計15</p><p>　　4.2.1 電流環(huán)控制器的設(shè)計15</p><p>　　4.2.2 位置環(huán)控制器的設(shè)計16</p><p>　　4.3 永磁同步直線電

19、機的擾動分析17</p><p>　　4.4 永磁同步直線電機的性能分析18</p><p>　　4.5 本章小結(jié)20</p><p>　　第5章 永磁同步直線電機位置控制的實驗結(jié)果分析22</p><p>　　5.1 直線電機在Matlab仿真下的位置控制結(jié)果分析22</p><p>　　5.2 直線電機在

20、實驗平臺下的位置控制結(jié)構(gòu)分析23</p><p>　　5.3 本章小結(jié)25</p><p><b>　　總結(jié)與展望27</b></p><p><b>　　研究工作總結(jié)27</b></p><p><b>　　研究特色27</b></p><p&g

21、t;<b>　　研究展望27</b></p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p><b>　　謝辭30</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的目的與意義</p>

22、;<p>　　現(xiàn)代人的工作、旅行和學習等方面都離不開電機，而讓電機工作的更加精準就尤為重要了，PID的直線電機位置控制可以讓你更了解電機，掌握電機的系統(tǒng)性能。對生活生產(chǎn)和人們的工作效率可以有有效的提高。在生活中有廣泛的應(yīng)用，用電機來代替人力，大大加強了人們的生活質(zhì)量。</p><p>　　現(xiàn)代發(fā)展實在是快，電機作為工業(yè)發(fā)展的小心臟，在每個領(lǐng)域都能發(fā)光發(fā)亮，是發(fā)展的基礎(chǔ)。電機性能的好壞,不僅直接影響著

23、生產(chǎn)效率，而且對于能源的消耗，工業(yè)化水平有著關(guān)鍵作用?，F(xiàn)在機器越來越復(fù)雜，電機相對也復(fù)雜起來了，越復(fù)雜的機器，我們需要的電機性能要求就越高，所以才有了PID控制。在過去乃至現(xiàn)在，傳承的旋轉(zhuǎn)電機在工業(yè)的傳動過程中起著主導(dǎo)的作用。然而，由于傳統(tǒng)的方式需要連軸器、絲杠，會造成整體系統(tǒng)剛性不夠等嚴重后果，這會使得電機的伺服性能變差，不能滿足當前工業(yè)的生產(chǎn)要求[1]。采用直線電機驅(qū)動沒有了中間傳動機構(gòu)的限制，相當于從電機到工作平臺之間形成了“零傳

24、動”。</p><p>　　如果直線電機在每個領(lǐng)域都被用到，那么將直接推動人類在制造加工業(yè)的發(fā)展，在提高效率的同時做到節(jié)能環(huán)保。因此，本文的研究將有助于推動我國在直線電機領(lǐng)域的發(fā)展，從而產(chǎn)生更高效的效率，推動經(jīng)濟發(fā)展，給人們省了很多工作時間。</p><p>　　1.2 直線電機的發(fā)展歷程</p><p>　　國外基于直線電機的數(shù)控機床發(fā)展比較成熟的是日本。日本的S

25、ODICK 公司于 1996 年將直線電機技術(shù)應(yīng)用于電火花成型機中，并于 1999 年投放市場。在第 19 屆 JIMTOF 上，豐田工機、松浦機械制作所等公司展示8臺采用直線電機作為傳動裝置的機床。1832年第一臺旋轉(zhuǎn)電機在世間被發(fā)明出來，僅僅過了8年，英國的科學家惠斯登(Wheatstone)開始提出了直線電機的雛形。</p><p>　　1.3 直線電機在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀</p><p&

26、gt;　　國內(nèi)對電機伺服系統(tǒng)的研究還停留在學習階段，這段路還很漫長，除了工業(yè)上的應(yīng)用，直線伺服系統(tǒng)還用于高精度平面繪圖儀。我國在上世紀80 年代就研制出了采用平面直線步進電機的高精度繪圖儀。</p><p>　　1943 年至 1956 年，是人工智能的誕生期，在這個時期，人們處于對其的摸索階段；1956年至1960年，人工智能得到了發(fā)展，開始出現(xiàn)一些初始的理論架構(gòu)；20世紀60年代至20世紀70年代，出現(xiàn)一些更

27、復(fù)雜的理論，由于理論的出現(xiàn)，人們對于人工智能的認識變得稍微明確。</p><p>　　1.3.1 直線電機在國外的研究現(xiàn)狀</p><p>　　最近幾年來，歐美等發(fā)達國家對直線電機技術(shù)和系統(tǒng)配套研究日漸成熟，并且在工業(yè)設(shè)備、交通運輸、物流自動化等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。國外對于直線電機的研究會早于我們，所以發(fā)展相對于我們也會快些，像在機床方面，日本的機床研究在96年就開始了，把直線電機用在非常精

28、密的數(shù)控機床上。美國相對于其他國家算是比較厲害的了，他們會用電機去加工太空鏡的鏡片，那個加工要十分的精細，對于精度的要求可想而知，所以我們大學生還是要多加學習，這樣科研的腳步才能趕得上別人。</p><p>　　1.3.2 直線電機在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　我們國內(nèi)的研究起步就比別人晚了，相對于其他國家來說我們的電機也不穩(wěn)定，要到1970年才發(fā)展起來。然而20世紀80年代前期發(fā)

29、展出現(xiàn)了瓶頸，80年代后期至今由于教育水平上去了，所以又開始發(fā)展。國內(nèi)直線電機被應(yīng)用于各個行業(yè)，比如電子，電工，機械，醫(yī)藥流水線，還有數(shù)控機床，每個地方發(fā)展都差不多但還不成熟，還需要像我們這樣的大學生去創(chuàng)造更好的</p><p>　　1.4 直線電機的控制策略</p><p>　　對系統(tǒng)進行控制時，需要很強的抗干擾能力。在保證其穩(wěn)定運行的條件下，又要有快速響應(yīng)的特性，使系統(tǒng)具有很強的魯棒性

30、。所以對于直線電機要有良好的伺服性能，就需要有一個好的控制策略來控制直線電機[17-18]。</p><p>　　為了更方便理解PID控制器的原理，下面舉例出PID控制模塊，其典型的PID控制模塊原理框圖如圖1-1所示：</p><p>　　圖1-1 典型PID控制結(jié)構(gòu)</p><p>　　在圖1-1中，系統(tǒng)的偏差信號為 。在PID控制器的調(diào)節(jié)作用下，分別對被控對象

31、進行比例、積分、微分控制，其結(jié)果的加權(quán)得到系統(tǒng)的控制信號，所以控制器的輸出u與輸入偏差信號e之間的關(guān)系如下： </p><p>　　(1-1) </p><p>　　其中為比例增益，為積分增益，為微分增

32、益。</p><p>　　1.5 論文的主要工作內(nèi)容</p><p>　　認識直線電機的工作原理是第一步，這樣才能構(gòu)建出永磁同步直線電機的數(shù)學模型，這樣電機性能才能浮出水面。然后利用電機的數(shù)學模型在Matlab平臺上搭建了電機仿真圖，接著結(jié)合PID控制器，搭建了一個完整的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而對其位置進行跟蹤控制。本文主要是在Matlab平臺上對電機的位置控制進行仿真，然后結(jié)合實驗平臺加以驗

33、證。作為大學畢業(yè)生，不應(yīng)只停留在表面，在實驗平臺上做出來的東西和仿真是有誤差的，我們應(yīng)把誤差減到最少，這樣作出來的實驗才準確可靠。</p><p>　　第2章 直線電機的結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　2.1 直線電機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　隨著人們不斷發(fā)現(xiàn)新的材料，而且人們的科學技術(shù)水平提高對各大領(lǐng)域?qū)τ来胖本€電機的性能要求也要求更高。但目前，國內(nèi)外對永磁

34、同步電機的直接推力的研究還較為欠缺，還有因為其造價高，控制難度大，在一些工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中還有待提升其性能[20-22]。</p><p>　　圖2-1 直線電機原理框圖</p><p>　　圖2-2 短初級長次級直線電機</p><p>　　2.2 直線電機的工作原理</p><p>　　講道理直線電機在原理上和旋轉(zhuǎn)電機有異曲同工之處，誰讓他是

35、旋轉(zhuǎn)電機演變的。如圖2-6所示，在這臺直線電機的三相繞組通入三相對稱的正弦交流電，那么電機會產(chǎn)生氣隙磁，當三相電流隨時間變化時，氣隙磁場和旋轉(zhuǎn)電機相似也會按A、B、C相序沿直線移動。假設(shè)次級的速度為v，轉(zhuǎn)差率為s，則：</p><p>　　(2-1) </p><p>　　其中，在直線電機運行狀態(tài)下，。&

36、lt;/p><p>　　圖2-6 直線電機的基本工作原理</p><p>　　初級 2-次級 3-行波磁場</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章分析了直線電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，可以發(fā)現(xiàn)直線電機結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)電機結(jié)構(gòu)有異曲同工之處，而且原理上也相似。因此在對直線電機的分析應(yīng)用時，可以仿照旋

37、轉(zhuǎn)電機進行，可以更加方便的掌握直線電機。通過對比你會發(fā)現(xiàn)很多東西，不要害怕麻煩，面對兩種電機我們要舉一反三，通過自己去專研，會發(fā)現(xiàn)很多東西原理還是相似的，只是有時候自己少了一雙去發(fā)現(xiàn)的眼睛，就像直線電機和旋轉(zhuǎn)電機兩者就像表兄弟，弄懂一個，那么弄懂另一個就比較簡單了。</p><p>　　第3章 直線電機的數(shù)學模型及性能分析</p><p>　　3.1 直線電機矢量控制的坐標變換</p

38、><p><b>　　3.1.1 坐標系</b></p><p>　　矢量控制的的坐標系可分為三類：三相定子坐標系、兩相定子坐標、兩相旋轉(zhuǎn)坐標系系。其中，兩相旋轉(zhuǎn)坐標系屬于旋轉(zhuǎn)坐標系[23-26]。</p><p>　　3.1.2 Clark變換原理</p><p>　　Clark變換原理是指將三相繞組A、B、C向兩相繞組α

39、、β變換，如圖3-1所示。每坐標系之間互相變換的原則要根據(jù)磁動勢來，所以我們會得到：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p><b>　　(3-2)</b></p><p><b>　　寫成矩陣的形式可得</b></p><p><b>　　(

40、3-3) </b></p><p><b>　　得到匝數(shù)比為：</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　利用約束條件,可將(3-3)擴展為</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>

41、　　同理Clark逆變換可寫為</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　圖3-1 三相定子坐標系向兩相定子坐標系變換原理圖</p><p>　　3.1.3 Park變換原理</p><p>　　兩相靜止坐標系α-β向兩相旋轉(zhuǎn)坐標系d-q變換那就是Park的變換原理，如圖3-2所示。所以得到：&

42、lt;/p><p><b>　　(3-7)</b></p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　寫成矩陣的形式可得</b></p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　同理Park

43、逆變換可寫為</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　圖3-2 兩相靜止坐標系向兩相旋轉(zhuǎn)坐標系變換原理圖</p><p>　　3.2 永磁同步直線電機的數(shù)學模型搭建</p><p>　　3.2.1 永磁同步直線電機在d-q坐標系下的數(shù)學描述</p><p>　　通過這

44、段時間對于電機的學習，我發(fā)現(xiàn)永磁同步旋轉(zhuǎn)電機跟永磁同步直線電機之間有異曲同工之處。我們在搭建數(shù)學模型的時候，那就可以將直線位移和直線電機的移動速度分別同旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速和角位移一個一個的去對應(yīng)，分析電機的物理量對應(yīng)到旋轉(zhuǎn)電機中，這樣他的數(shù)學模型就差不多了。正正好永磁同步直線電機也具有這樣的特性，為了方便我們討論分析，于是我們可以做出了以下的猜想：</p><p>　　(1)不計渦流及磁滯損耗；</p>

45、<p>　　(2)忽略鐵心磁路飽和；</p><p>　　(3)假設(shè)行波磁場是按正弦波形分布的。</p><p>　　為了實現(xiàn)電流的解耦，將電流分解成了勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，由于永磁電機的勵磁磁場是由永磁體產(chǎn)生，不需要勵磁電流，所以可以令=0。因此，整個電機可以簡化為通過對的控制，來實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制[27-28]。所以可以得到方程如下</p><p&

46、gt;<b>　　(3-11)</b></p><p>　　(3-12) </p><p><b>　　(3-13)</b></p><p><b>　　(3-14)</b></p><p>　　根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系，電磁推力可表示為</p><p&

47、gt;<b>　　(3-15) </b></p><p>　　根據(jù)牛頓運動定律，動子的機械運動方程可表示為</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　其中的電磁推力常數(shù)為</p><p><b>　　(3-17)</b></p><

48、;p><b>　　(3-18) </b></p><p><b>　　(3-19)</b></p><p>　　部分電機參數(shù)數(shù)值如表：</p><p>　　表3-1 直線電機參數(shù)</p><p>　　3.2.2 永磁同步直線電機在Matlab的仿真圖</p><p>

49、　　根據(jù)式(3-11)~(3-19),可以在Matlab上畫出d-q軸坐標系下的仿真圖形，如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 永磁同步直線電機在d-q坐標系的仿真</p><p>　　3.3 脈沖寬度調(diào)制模塊</p><p>　　這時候我們會用到脈沖寬度調(diào)制模塊，他是一種控制方式用于模擬電路進行有效控制的一種手段，PWM的理論基礎(chǔ)是將窄脈沖加到具有慣性環(huán)

50、節(jié)上的。然而，空間矢量脈沖寬度調(diào)制相比于正弦脈沖寬度調(diào)制具有更好的控制效果，它能直接生成三相PWM波，計算更加方便，能獲得較低的轉(zhuǎn)矩波動，控制效率更高，而且電壓和電流的諧波畸變也更低[29]。</p><p>　　脈沖寬度調(diào)制的仿真圖如圖3-4所示，經(jīng)SVPWM輸出的控制量，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換來控制逆變器中IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，達到改變電壓，控制電流的效果。</p><p>　　圖3-4 脈沖寬

51、度調(diào)制模塊的仿真</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了直線電機的坐標變換，并在Matlab在畫出永磁同步直線電機仿真圖?？梢园l(fā)現(xiàn)直線電機是一個多變量，非線性，強耦合性的復(fù)雜系統(tǒng)。最后介紹了脈沖寬度調(diào)制模塊作為直線電機的驅(qū)動模塊。進入仿真真的遇到了很多困難，想要把每個模塊弄懂，并且還要把每個模塊串聯(lián)起來，不關(guān)關(guān)是吸收消化一

52、個知識點那么簡單，先搞懂了各個模塊的組成，然后把這些模塊拼接在一起才是真正要攻克的難題，還好在老師的指導(dǎo)下，我發(fā)現(xiàn)每個模塊存在的聯(lián)系才把仿真圖做出來，每個模塊都像是身體的器官，沒有一個都不行，就像最基本的輸出輸入，就看你怎么去學，怎么去做了。</p><p>　　第4章 基于PID控制器的直線電機位置控制</p><p>　　在前一章，利用直線電機的數(shù)學模型，畫出了其電機的仿真圖和脈沖寬度

53、調(diào)制的仿真圖，在本章要實現(xiàn)電機位置的精準控制。</p><p>　　4.1 采用雙閉環(huán)的直線電機控制模塊</p><p>　　圖4-1 直線電機位置控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　根據(jù)圖4-1可以看成，系統(tǒng)由內(nèi)到外分別是電流環(huán)和位置環(huán)，其中的電流控制器和位置控制器分別設(shè)計。電流環(huán)可以將比較得出來的誤差經(jīng)過控制器及時的除去，然后使電機電流保持在一個比較好的狀態(tài)。他能

54、相應(yīng)的根據(jù)位置環(huán)所傳送來的電流值去調(diào)節(jié)整個電樞電流值，確保電流穩(wěn)定。它能及時將產(chǎn)生的位移信號及時的傳送回去，與給定的位置進行比較，然后通過位置控制器及時的消除誤差，使得直線電機的位置能得到精確的跟蹤。</p><p>　　根據(jù)直線電機位置控制的系統(tǒng)框圖，在Matlab上畫出雙閉環(huán)控制的直線電機系統(tǒng)仿真圖形，如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 雙閉環(huán)控制的直線電機系統(tǒng)仿真<

55、/p><p>　　4.2 永磁同步直線電機的控制器設(shè)計</p><p>　　4.2.1 電流環(huán)控制器的設(shè)計</p><p>　　如果要設(shè)計電流環(huán)，第一點我們要搞懂電流是內(nèi)環(huán)還是外環(huán)，因為他能提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，所以我們一般采用PI控制去設(shè)計這個東西。P增大響應(yīng)速度就變快，誤差就減小，但是振蕩會加劇，所以我們還要添加個積分控制，讓誤差更小甚至完全消除。</p>

56、<p>　　對于電流環(huán)控制器參數(shù)的整定，可以將內(nèi)環(huán)單獨拿出來計算，為了方便計算，將電流環(huán)簡化，因此d、q軸上的電流環(huán)的傳遞函數(shù)框圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 d、q軸上的電流環(huán)的傳遞函數(shù)框圖</p><p>　　可以得到閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(4-1)</b></p><

57、;p>　　很明顯，這是一個二階系統(tǒng)，根據(jù)自動控制原理的知識，我們可以令：</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　所以取=0.78。將數(shù)值帶入式(4-2)和(4-3)，可算出=2000，=1.78，=8200。將這些參數(shù)放到Matlab仿真中

58、，可以得到理想的跟蹤效果。</p><p>　　4.2.2 位置環(huán)控制器的設(shè)計</p><p>　　位置環(huán)作為外環(huán)，是系統(tǒng)的主控環(huán)節(jié)，能對直線電機的做到快速，精確的跟蹤。之所以增加一個微分環(huán)節(jié)是因為考慮到，位置控制是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，電機在實際運行中，如果位置的變化速度太快的話會造成位置偏差變化很大，這時PI控制器所起的作用就不是很大，而且快速變化的位置偏差就會造成較大的偏差，這必然會使控制

59、精度下降，不能做到對位置的精確跟蹤。在對于位置環(huán)控制器參數(shù)進行整定時，考慮到之前對電流環(huán)的控制達到理想的跟蹤效果，為了方便計算，將電流環(huán)看成一個數(shù)值為1的模塊。</p><p>　　圖4-4 d、q軸上的位置環(huán)的傳遞函數(shù)框圖</p><p>　　可以得到閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(4-4)</b></p><

60、;p><b>　　其中，極點方程</b></p><p><b>　　(4-5) </b></p><p>　　很明顯，這是一個三階系統(tǒng)，所以我利用極點配置的方法來對PID參數(shù)進行計算。要使系統(tǒng)穩(wěn)定，閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點必須位移S的左半平面，所以取三個期望的極點=-2+j, =-2-j, =-10。所以可以構(gòu)成期望極點的方程式</p&g

61、t;<p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　將與一一對應(yīng)，可以計算出=2.1，=2.3，=0.68?？梢园l(fā)現(xiàn)微分系數(shù)的數(shù)值太小，起不了提前控制的作用，經(jīng)過仿真試驗的不斷整定，最后取=90，可以達到理想的位置跟蹤。</p><p>　　4.3 永磁同步直線電機的擾動分析</p><p>　　假設(shè)直線電機的驅(qū)動電流

62、是理想的正弦波形，同時定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場滿足正交關(guān)系，則直線電機可以保持良好的靜態(tài)特性。然而在實際的電機應(yīng)用時，總是存在著各種擾動，對電機性能造成了一定的影響，所以只有認真分析直線電機所存在的各種擾動，并采取措施去消除這些擾動，才能保證電機性能滿足要求。在此，這里對直線電機的一些主要干擾作出分析。</p><p><b>　　(1)摩擦力擾動</b></p><p>

63、　　摩擦力有兩種：滑動摩擦力和靜摩擦力。在電機伺服系統(tǒng)中，如果摩擦力擾動沒有被及時的消除，有可能會對系統(tǒng)造成損壞，還會讓系統(tǒng)的性能變差，給直線電機帶來不好的影響，摩檫力擾動很不好。</p><p><b>　　(2)負載擾動</b></p><p>　　一般，我們將電機運行時視為拖動負載運動，同樣，直線電機的運行也可以視為沒有中間環(huán)節(jié)的直接拖動負載運行。要考慮到負載擾

64、動，并采取一定措施來消除它，這樣電機才有更好的伺服性能。</p><p><b>　　(3)紋波推力擾動</b></p><p>　　為了保持直線電機良好的特性，需要直線電機的驅(qū)動電流是正弦波形。然而直線電機在實際運行時，一方面是由于電機的驅(qū)動電源通過脈沖寬度調(diào)制后得到只是近似的正弦波，而且還包括一些諧波擾動。另一方面，由于直線電機自身的結(jié)構(gòu)和制造工藝，使其并非是正弦

65、波形。</p><p>　　4.4 永磁同步直線電機的性能分析</p><p>　　為了對直線電機能更進一步的了解，需要對直線電機的性能進行分析，但是永磁直線電機的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，直接進行性能分析是非常困難的，所以將永磁同步直線電機數(shù)學模型簡化成如圖4-5所示</p><p>　　圖4-5 永磁同步直線電機的簡化數(shù)學模型</p><p>　　根

66、據(jù)圖4-5可知，永磁同步電機的位置與電流的關(guān)系為</p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　這是一個典型的二階系統(tǒng)，設(shè)參數(shù)=41N/A, M=0.13N/s/V, B=5.30N/V。在不考慮擾動的情況下，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可寫為</p><p>　　(4-8) </p>&l

67、t;p>　　根據(jù)式(4-8)，可以在Matlab上畫出系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應(yīng)圖和Bode圖[30]，如圖4-6和圖4-7所示。</p><p>　　在Matlab的命令窗口輸入以下這些語句，便可得到圖形。</p><p><b>　　num=41;</b></p><p>　　den=[0.1254,5.2982,0];</p>

68、<p>　　Gk=tf(num,den);</p><p>　　Gb=feedback(Gk,1);</p><p>　　t=0:0.1:2;</p><p>　　figure(2);step(Gb,t);grid</p><p>　　figure(1);bode(Gk);grid</p><p>　　圖4

69、-6 系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖</p><p>　　圖4-7 系統(tǒng)Bode圖</p><p>　　由階躍響應(yīng)圖和Bode圖可以看出，這是一個無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間t=0.7s的過阻尼系統(tǒng)。在Matlab命令窗口輸入</p><p>　　[gm,pm,wgm,wpm]=margin(Gk)</p><p><b>　　可以得到：</b>&

70、lt;/p><p>　　幅值裕度Gm = Inf，相角裕度Pm = 79.7834，穿越頻率Wgm =Inf，截止Wpm =7.6147。</p><p>　　可以知道系統(tǒng)的閉環(huán)相角裕度為Pm = 79.7834，幅值裕度趨于無窮，因此該系統(tǒng)閉環(huán)是穩(wěn)定的，但是它是一個過阻尼系統(tǒng)，響應(yīng)時間慢，在設(shè)計控制器的時候要考慮到這一點。</p><p><b>　　4.5

71、 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章采取的PID控制，經(jīng)過對控制參數(shù)的整定與改善，得出一組能精確，快速跟蹤位置的數(shù)據(jù)。接著對直線電機的擾動做了一定的分析，方面針對其擾動提出相應(yīng)的補償措施，以獲得良好的控制效果。最后分析了直線電機的性能，知道了這是一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，但是是過阻尼系統(tǒng)，調(diào)節(jié)時間較長，因此需要采取相應(yīng)措施來改善直線電機性能。知道了PID控制是往往不夠的，學習理論知識是為了更好的實踐，對

72、于學術(shù)的研究不能感到滿意，我們應(yīng)該更加的渴望，對于實驗數(shù)據(jù)還是比較驚訝的，原來理論和實際相差還是很多的，我們很多東西都是去假設(shè)，因為現(xiàn)在會有太多的因素去影響實驗結(jié)果了。所以我們應(yīng)該更多的去學習，這樣得出任何的結(jié)果你都能去分析，得到不滿意的結(jié)果你能去解決。</p><p>　　第5章 永磁同步直線電機位置控制的實驗結(jié)果分析</p><p>　　本章從永磁同步直線電機位置控制的Matlab仿真

73、實驗和實驗平臺驗證實驗入手，加以證明所建立直線電機模型的正確性和能有效，快速，精確進行位置跟蹤的可行性。</p><p>　　5.1 直線電機在Matlab仿真下的位置控制結(jié)果分析</p><p>　　將圖4-2的直線電機系統(tǒng)仿真圖形進行仿真，假設(shè)我們給定的位置曲線如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1 給定直線電機位置曲線</p><p

74、>　　經(jīng)過仿真實驗得到實際跟蹤的直線電機位置曲線如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 實際跟蹤的直線電機位置曲線</p><p>　　根據(jù)圖中我們可以得到，設(shè)計的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是有效果的并且快速的，精確地對永磁同步直線電機進行了位置跟蹤。在直線電機進行移動過程時還是明顯存在微小的抖振，但是整體來看，在仿真實驗中，實驗結(jié)果還是非常理想的。直線電機電流，速度，位置關(guān)系的曲線圖如

75、圖5-3所示。</p><p>　　圖5-3 直線電機電流，速度，位置關(guān)系的曲線圖</p><p>　　根據(jù)圖5-3所示，直線電機在啟動還有速度在電機剛啟動時，電流會產(chǎn)生明顯的尖峰，所以我們需要電流保護。電機在啟動時會有比較好發(fā)現(xiàn)的振動，但是電機整體運行的感覺是很平穩(wěn)的。這可以反應(yīng)出所設(shè)計的控制器完全能實現(xiàn)對位置的快速精確跟蹤。</p><p>　　5.2 直線電機

76、在實驗平臺下的位置控制結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　通過仿真實驗證實了控制器的正確性，就可以在實驗平臺上進行對永磁同步直線電機位置控制的驗證。實驗平臺如圖5-4所示。</p><p>　　圖5-4 永磁同步直線電機實驗平臺</p><p>　　在實驗前，必須要查閱相關(guān)的直線電機實驗手冊進行操作，保證人身和實驗體安全。根據(jù)實驗手冊的指導(dǎo)，對相關(guān)的參數(shù)進行設(shè)置。實驗平臺

77、的操作軟件EasyMotionStudio可以在實驗前對輸入的電流控制器參數(shù)和位置控制器參數(shù)進行測試，可以發(fā)現(xiàn)當自己把仿真數(shù)據(jù)帶進去的時候，得到位置控制的結(jié)構(gòu)基本是符合要求的，但還是有輕微的抖動和偏離。這是因為在電機在實際運行時，難免會受到外界環(huán)境干擾、電機老化、摩擦阻力、紋波推力等不確定因素的干擾。這時就需要把數(shù)據(jù)進行輕微的調(diào)節(jié)，直到完全符合要求為止，這時可以得到實際直線電機位置跟蹤圖形如圖5-5所示。</p><

78、p>　　圖5-5 實際直線電機位置跟蹤圖形</p><p>　　其部分放大圖形如圖5-6所示。</p><p>　　圖5-6 實際位置跟蹤曲線部分放大圖形</p><p>　　從實際位置跟蹤曲線部分放大圖形可以看出，直線電機在實際運行中存在著微小的超調(diào)，但很快就能完全跟蹤。</p><p>　　直線電機實際的電流與速度變化曲線如圖5-7

79、所示。</p><p>　　圖5-7 直線電機實際的電流與速度變化曲線</p><p>　　根據(jù)圖5-7可以看成，實驗平臺上的直線電機的電流與速度變化曲線基本上和仿真實驗的電流與速度變化曲線是相同的，因此，可以證實所建立的永磁同步直線電機的數(shù)學模型及仿真圖形是準確的，所設(shè)計的雙閉環(huán)控制器可以快速，精確的對位置進行控制。</p><p><b>　　5.3

80、本章小結(jié)</b></p><p>　　本章是通過仿真實驗結(jié)果和實驗平臺實驗結(jié)果的比較分析，發(fā)現(xiàn)兩者的結(jié)果是基本上相似的，雖然之間存在著偏差，這是因為電機運行時一些不確定因素所導(dǎo)致的，但這不影響實驗的準確性。在實驗平臺上運行發(fā)現(xiàn)了存在一些誤差，針對這些誤差，我嘗試去減少這些誤差，一開始我以為是機器的問題，請教了老師后才發(fā)現(xiàn)，原來理論和現(xiàn)實就是會存在那么點誤差的，只能說我們?nèi)ジ男?shù)據(jù)去減少它，但是不能完全

81、和理論一樣，所以我們學習應(yīng)該理論和實際相結(jié)合才行。</p><p><b>　　總結(jié)與展望</b></p><p><b>　　研究工作總結(jié)</b></p><p>　　(1)先介紹了永磁同步直線電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，在永磁同步電機的基礎(chǔ)上建立了數(shù)學模型，并根據(jù)矢量坐標變化在Matlab上畫出了電機的仿真圖。</p&

82、gt;<p>　　(2)接著根據(jù)利用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對直線電機位置進行控制，位置環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)。內(nèi)環(huán)采取了PI控制，并根據(jù)經(jīng)典的二階系統(tǒng)，算出其PI控制參數(shù)；外環(huán)采取了PID控制，并根據(jù)極點配置方法，計算出其PID控制參數(shù)。然后進行其擾動分析和性能分析，進一步了解和提高直線電機的性能。</p><p>　　(3)根據(jù)所搭建的雙閉環(huán)控制的直線電機系統(tǒng)模型進行仿真，得到了理想的跟蹤效果。結(jié)合實驗平

83、臺，將計算出來的控制參數(shù)進行實驗，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果還算理想，但是存在的部分偏差，考慮到數(shù)學模型是在簡化的情況下搭建的，而且實際電機在運行過程中會受到外界擾動，因此這種情況是可以理解的。在實驗平臺上對控制參數(shù)進行微調(diào)，最后得到理想的跟蹤效果。</p><p><b>　　研究特色</b></p><p>　　首先在選題上，本次畢業(yè)設(shè)計以當今世上發(fā)展前景非常良好的直線電機作為

84、研究對象。其次，在對直線電機的研究中，掌握了其工作原理，分析了其優(yōu)缺點，該畢業(yè)設(shè)計注重理論和實踐地結(jié)合，強調(diào)“發(fā)現(xiàn)問題－分析問題－解決問題”的思想，這是非常符合自動化的核心思想，是一個值得研究的課題。</p><p><b>　　研究展望</b></p><p>　　(1)考慮到所搭建的直線電機是在其簡化的情況下進行的，但是由于直線電機是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，所以必然

85、會存在著偏差。因此在對直線電機研究時，應(yīng)更進一步深入，搭建出更接近實際運行的直線電機模型。</p><p>　　(2)本次實驗雖然在仿真的情況下，其結(jié)果是非常理想的，但是否在實際中也有理想的效果，還需進一步的研究。</p><p>　　(3)傳統(tǒng)的PID控制器雖然結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性強，但是PID控制依賴于數(shù)學模型，只能對其輸出的誤差進行運算，所以在一些特殊的情況下，它并不是最佳的選擇。因此可

86、以在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合更新進，控制更優(yōu)的控制器，來實現(xiàn)矢量控制。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 章達眾,廖有用,李國平等.直線電機的發(fā)展及其磁阻力優(yōu)化綜述[J].機電工程,2013,30(9):1051-1054.</p><p>　　[2] 魯小勇,董哲.淺談直線電機在數(shù)控機床中的應(yīng)用及發(fā)

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99、</p><p><b>　　謝辭 </b></p><p>　　值此論文完成之際，我要向我的導(dǎo)師黃宴委副教授表示衷心的感謝！同時，向幫助過我的同學，學長致以深深的謝意！</p><p>　　論文無論從選題、研究、撰寫和審閱工作都是在黃宴委老師的悉心指導(dǎo)下完成的，每一個環(huán)節(jié)黃老師都給與了我精心的指導(dǎo)與幫助。在選題過程中，黃老師悉心為我準備了設(shè)計

100、任務(wù)書，為了分析了這個課題應(yīng)該怎么去做，讓我有了一個大概的研究方向，為我從接觸實物入手，對直線電機有了感性的認識，在研究的過程中，黃老師為我提供了直線電機實驗平臺還有仿真的電腦還有舒適的實驗室，對我的實驗幫助實在太大。每次在我迷茫的時候，黃老師第一時間站出來為我答疑解惑，讓我有了十足的信心，黃老師不愧是教授級別，他的解答總能讓我受益匪淺。</p><p>　　我還要感謝我的研究生學長，在算仿真的時候，我遇到了非常