直线电机性能检测台控制部分设计
与传统的旋转电机相比，直线电机省去了中间传动环节，直接将电能转化成直线运动，完全消除了传动元件的速度以及加速度的物理极限，从而大大提高了电机的响应速度。随着直线电机速度响应及定位精度要求的提高，在研究其性能的过程中，更加注重直线电机实际性能测试，实测结果往往比计算的理论结果更清楚地反映其实际特性，因此对直线电机的性能检测提出了更高的要求。本文根据直线电机的技术指标，设计了简单的速度、位置双闭环控制器，并在Matlab/Simulink环境下进行控制系统对不同的信号的响应进行仿真和分析。关键词 直线电机，性能检测，控制器，响应
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的背景及研究意义 1
1.2 直线电机的发展现状 1
1.3 本文的主要内容 2
2 直线电机原理及其性能检测台 3
2.1 直线电机的基本结构与原理 3
2.2 电机性能检测台简介 4
3 直线电机的控制策略和数学模型 5
3.1 直线电机的控制策略 5
3.2 直线电机在dq轴下的数学模型及仿真模块 7
4 双闭环控制系统的设计和仿真 12
4.1 速度控制器设计 13
4.2 位置控制器设计 14
4.3 控制器性能分析 15
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 绪论
1.1 课题的背景及研究意义
如今在很多领域内,传统的传动系统如旋转电动机+滚珠丝杠已经不能满足伺服系统的要求,因为被控制的对象几乎都是以直线形式运动的。而必须要经过一系列的中间环节,传统的传动系统才能够使被控对象实现直线运动,而这将大大降低伺服控制系统的性能[1]。
直线电机可以使受控对象直接获得可以直线运动的力,而不用复杂的中间环节,使得直线伺服电机具有低惯量、快响应、长行程、高速度和高精度等特征，也可以此来获得可控制的短小位移，此外还能增加加工结果的可靠性和稳定性[24]。由于直线电机控制系统自身是一个复杂的非线性系统，虽然减少了中间环节不好的因素,但是却也增加了在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
电子、电气控制上的难度,特别是在精度要求高,响应要求快的场合[5]。
正是由于直线电机特有的优点和广阔的使用潜力,更多的研究人员和科研机构开始进军到直线电机领域。然而，直线电机控制系统也还存在各种各样的难题，其中最突出的就是控制和检测方面的问题,本论文将对直线电机的控制系统进行简单的设计，并用电机性能检测台检测设计的控制系统是否满足电机的性能指标[6]。
1.2 直线电机的发展现状
1.2.1 直线电机的发展概况
在以往的生活和生产中，被控对象主要是由旋转电机带动，然后再经过中间环节来实现直线运动的。而由于中间环节的因素，不仅会使得系统的精度大大降低，而且还会引入许多无法控制的问题。于是人们开始思考是否能够用直接驱动做直线运动，于是直线电机应运而生。从直线电机的概念的提出到今天其被广泛应用的170多年间，它的发展先后经过了探索实验阶段（1840年1955年）、开发应用阶段（1956年1970年）及实用商品阶段（1970年至今）共三个阶段，并逐渐开始在各个领域应用，给人们的生产和生活带来了不可思议的变化[7]。
直线电机几乎是与旋转电机同时出现的，但是由于直线电机较旋转电机复杂的结构，在发现之初并没有得到快速的发展。世界上第一台直线电机是英国人Charles Wheatstone于1840年发明的，但是这个直线电机没有取得期望的效果，究其原因是由于电机气隙过大，从而使得电机效率很低而没有获得成功。直线电机在发展过程中，离不开其他领域如控制、电子、材料技术领域等提供的各种支持，这也促进直线电机迈入了蓬勃发展的新时期。1990年后，高速加工概念开始出现，这使得直线电机得到进一步的发展，加工中心中也出现了直线电机的身影，而且是作为其中重要的进给系统发挥作用。相比较传统进给系统效率低和不稳定的缺点，直接驱动进给系统无疑具有非常多的潜力和优点，因此直线电机越来越受到人们的青睐。
1.2.2 国内外研究现状
随着直线电机应用范围的不断扩大，越来越多国家的科研人员都开始对直线电机进行更深层次的研究。而在国外，性能良好的直线电机已经被生产出来，并已投入市场发挥巨大的作用。日本油研工业株式会社于2007年推出的“高速电机伺服阀”是电动液压控制直线电机的新产品，反映了该技术领域的发展趋势。美国Anorad公司主要生产有铁芯和无铁芯电机两大类，是全球直线电机供应商的领导者。国外知名的线性电机及其驱动系统供应商包括美国丹纳赫，德国西门子，力士乐，日本三菱，Fanuc和瑞士ETEL。在国外的大学和科研机构中，新型结构和高性能的直线电机扔在研究开发中[8]。
我国对直线电机的研究起步比较晚，是从1970年才开始涉及这方面，比西方国家晚了近100多年。但是由于我国对直线电机的重视以及我国科研人员的努力，经过40多年的发展，也取得了许多较好的成果。目前，我国只有较少的企业能够真正具有直线电机自主研发和生产的能力，其中的典型便是哈尔滨泰富电气有限公司于2009年12月22日成功开发的全国首辆直线电机驱动轨道交通车。该车成本只占进口车辆的一半左右，表明我国成为了继日本、加拿大之后第三个能够自主研发直线电机驱动轨道交通车辆的国家。同时，国内也有高校和科研院所对直线电机开展研究，如清华大学、中国科学院电工研究所等。然而在直线电机的普及应用方面，与国外相比，还是存在着不小的差距。
1.3 本文的主要内容
第1章绪论主要介绍了本课题的研究意义与背景，同时介绍了直线电机的发展概况和国内外研究现状。
第2章对直线电机的基本原理和特点应用进行了简单的介绍，同时也对电机的性能检测台也做了一定的了解。
第3章从整体上介绍了控制系统的三种控制策略即传统控制策略、现代控制策略和智能控制策略，然后就对直线电机在dq轴下建立了数学模型，并简要的介绍了本文要用到的仿真软件Simulink。
第4章设计了速度位置双闭环控制系统，并用不同的控制信号对系统进行了仿真分析，从而得出结论。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的背景及研究意义 1
1.2 直线电机的发展现状 1
1.3 本文的主要内容 2
2 直线电机原理及其性能检测台 3
2.1 直线电机的基本结构与原理 3
2.2 电机性能检测台简介 4
3 直线电机的控制策略和数学模型 5
3.1 直线电机的控制策略 5
3.2 直线电机在dq轴下的数学模型及仿真模块 7
4 双闭环控制系统的设计和仿真 12
4.1 速度控制器设计 13
4.2 位置控制器设计 14
4.3 控制器性能分析 15
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 绪论
1.1 课题的背景及研究意义
如今在很多领域内,传统的传动系统如旋转电动机+滚珠丝杠已经不能满足伺服系统的要求,因为被控制的对象几乎都是以直线形式运动的。而必须要经过一系列的中间环节,传统的传动系统才能够使被控对象实现直线运动,而这将大大降低伺服控制系统的性能[1]。
直线电机可以使受控对象直接获得可以直线运动的力,而不用复杂的中间环节,使得直线伺服电机具有低惯量、快响应、长行程、高速度和高精度等特征，也可以此来获得可控制的短小位移，此外还能增加加工结果的可靠性和稳定性[24]。由于直线电机控制系统自身是一个复杂的非线性系统，虽然减少了中间环节不好的因素,但是却也增加了在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
电子、电气控制上的难度,特别是在精度要求高,响应要求快的场合[5]。
正是由于直线电机特有的优点和广阔的使用潜力,更多的研究人员和科研机构开始进军到直线电机领域。然而，直线电机控制系统也还存在各种各样的难题，其中最突出的就是控制和检测方面的问题,本论文将对直线电机的控制系统进行简单的设计，并用电机性能检测台检测设计的控制系统是否满足电机的性能指标[6]。
1.2 直线电机的发展现状
1.2.1 直线电机的发展概况
在以往的生活和生产中，被控对象主要是由旋转电机带动，然后再经过中间环节来实现直线运动的。而由于中间环节的因素，不仅会使得系统的精度大大降低，而且还会引入许多无法控制的问题。于是人们开始思考是否能够用直接驱动做直线运动，于是直线电机应运而生。从直线电机的概念的提出到今天其被广泛应用的170多年间，它的发展先后经过了探索实验阶段（1840年1955年）、开发应用阶段（1956年1970年）及实用商品阶段（1970年至今）共三个阶段，并逐渐开始在各个领域应用，给人们的生产和生活带来了不可思议的变化[7]。
直线电机几乎是与旋转电机同时出现的，但是由于直线电机较旋转电机复杂的结构，在发现之初并没有得到快速的发展。世界上第一台直线电机是英国人Charles Wheatstone于1840年发明的，但是这个直线电机没有取得期望的效果，究其原因是由于电机气隙过大，从而使得电机效率很低而没有获得成功。直线电机在发展过程中，离不开其他领域如控制、电子、材料技术领域等提供的各种支持，这也促进直线电机迈入了蓬勃发展的新时期。1990年后，高速加工概念开始出现，这使得直线电机得到进一步的发展，加工中心中也出现了直线电机的身影，而且是作为其中重要的进给系统发挥作用。相比较传统进给系统效率低和不稳定的缺点，直接驱动进给系统无疑具有非常多的潜力和优点，因此直线电机越来越受到人们的青睐。
1.2.2 国内外研究现状
随着直线电机应用范围的不断扩大，越来越多国家的科研人员都开始对直线电机进行更深层次的研究。而在国外，性能良好的直线电机已经被生产出来，并已投入市场发挥巨大的作用。日本油研工业株式会社于2007年推出的“高速电机伺服阀”是电动液压控制直线电机的新产品，反映了该技术领域的发展趋势。美国Anorad公司主要生产有铁芯和无铁芯电机两大类，是全球直线电机供应商的领导者。国外知名的线性电机及其驱动系统供应商包括美国丹纳赫，德国西门子，力士乐，日本三菱，Fanuc和瑞士ETEL。在国外的大学和科研机构中，新型结构和高性能的直线电机扔在研究开发中[8]。
我国对直线电机的研究起步比较晚，是从1970年才开始涉及这方面，比西方国家晚了近100多年。但是由于我国对直线电机的重视以及我国科研人员的努力，经过40多年的发展，也取得了许多较好的成果。目前，我国只有较少的企业能够真正具有直线电机自主研发和生产的能力，其中的典型便是哈尔滨泰富电气有限公司于2009年12月22日成功开发的全国首辆直线电机驱动轨道交通车。该车成本只占进口车辆的一半左右，表明我国成为了继日本、加拿大之后第三个能够自主研发直线电机驱动轨道交通车辆的国家。同时，国内也有高校和科研院所对直线电机开展研究，如清华大学、中国科学院电工研究所等。然而在直线电机的普及应用方面，与国外相比，还是存在着不小的差距。
1.3 本文的主要内容
第1章绪论主要介绍了本课题的研究意义与背景，同时介绍了直线电机的发展概况和国内外研究现状。
第2章对直线电机的基本原理和特点应用进行了简单的介绍，同时也对电机的性能检测台也做了一定的了解。
第3章从整体上介绍了控制系统的三种控制策略即传统控制策略、现代控制策略和智能控制策略，然后就对直线电机在dq轴下建立了数学模型，并简要的介绍了本文要用到的仿真软件Simulink。
第4章设计了速度位置双闭环控制系统，并用不同的控制信号对系统进行了仿真分析，从而得出结论。
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