simulink的直线(附件)
随着科技的发展，对高速高精直线电机驱动技术及其控制方法的要求越来越高。本文在介绍了直线电机的发展历史、结构和工作原理的基础上，选用了一款电机，分析了其数学模型并在Simulink中建立了仿真模型。具体的控制方法则选用了传统的PID控制方法，并进行完善。在建立了各个仿真模块之后，运行得到速度响应曲线、三相波形图和推力波形图，通过分析图形得出结论。关键词 直线电机，PID控制，建模仿真
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 国内外研究综述 1
1.3 主要研究内容 2
2 直线电机原理与模型 3
2.1 基本结构和工作原理 3
2.2 直线电机数学模型 4
2.3 坐标的空间变换 7
2.4 直线电机仿真模型 9
2.5 本章小结 13
3 调节控制器选用与设计 13
3.1 PID控制简介 13
3.2 基于PID的直线电机调速控制系统 16
3.3 本章小结 16
4 控制系统仿真 17
4.1 直线电机PID设计及仿真 17
4.2 控制器参数整定方法 18
4.3 系统仿真 18
4.4 结果分析 19
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
旋转电机的出现带动了现代传动技术的飞速发展，它可以把电能转换成电机的转矩，在许多场合都有应用。而自从旋转电机出现开始，人们就在思考是否可以有一种将电能直接转换成直线运动机械能，这就是直线电机。这种电机不仅具有上述的能量直接转换的优点，而且不需要中间传动装置，结构简单体积小、噪声小、组合性强[1]。随着现代电机与微电子技术的发展，直线电机在品种和应用上已经完全不逊于旋转电机，甚至某些领域已经完全超越了旋转电机。尤其是在汽车、磁悬浮等领域，取得了令人瞩目的成就。由于直线电机广阔的应用前景和使用领域，国内外关于直线电机的研究也是日益趋紧，然而我国关于这方面的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
技术还处于起步阶段，许多关键性的技术仍是沿用发达国家的专利，以及直线电机的使用量和普及率依然不高。我国直线电机仍大有文章可做，特别是在直线电机速度精确控制和仿真软件等方面存在很大的发展空间[2]。
所有关于直线电机的研究都是为了能够让直线电机得到实际的应用，这也是各个企业和专家关注的主要原因。然而，直线电机的缺点也是显而易见的。例如，由于其非线性和不确定性的特点，许多控制器都很难达到其精度要求，响应速度和上升应时间也比较难达到理想的状态。本文针对直线电机的这一特点，选用了一种经典PID控制方法，采用了临界比例度法整定参数。该系统使得永磁同步直线电动机速度跟踪系统具有响应的快速性、鲁棒性和抗干扰性，PID控制系统应用在永同步直线电机中具有很好的动静态特性。
Smiulink这一强大的仿真软件在电气与汽车行业具有广泛的应用，而直线电机的特性也使得将Simulink用于此方面十分合适[3]。本文在此基础上，沿用了经典的PID控制方法，在经过多次的仿真实验之后，得到精确的仿真波形，并做了详细深入的分析。
1.2 国内外研究综述
在旋转电机出现之后不久，人们就开始着手于直线电机的开发。直线电机第一次问世在1840年左右，但由于电机气隙和初级绕组线路等问题最终没能成功运行。然而这次研究却带动了全世界的直线电机热潮，随后的直线电机研制与应用获得了巨大的发展，主要经历了三个历程：探索试验、开发应用和实用商品化。其中探索试验阶段主要是研究数据和实验；开发应用阶段则出现了许多与电机有关的实物，如空气压缩机、磁头定位驱动装置、缝纫机等；实用商品化时代的到来，才真正的把直线电机代入生产与大众生活，直线电机开始得到批量的生产和广泛的应用，如高速钻孔用直线电机、PCB打孔用永磁直线电机和采油机用永磁直线电机[4]。
经过了一百多年的发展，欧美等国的直线电机技术已经趋于成熟，其科研成果也已应用到物流、自动化、交通、车辆等各个领域。其中的代表就是西门子，其研发的数控直线电机最大推力达到了6600N，最高速度4.5m/s。而直线电机中的佼佼者发那科也推出了用于高端设备的无刷直线电机，这款电机可以在运行时有效的避免磨损，而且其控制系统可以保持很好的响应与精度，也使得整个系统的实用性相比于传统的直线电机大大提高。MITSUBISHI公司近几年在直线电机领域取得了突破性的进展，其电机实验平台精度达到了±1.5μm；Kollmorgen公司开发的无铁芯永磁无刷同步直线电机能够达到世界先进水平的运动精度，最低速度可以达到1μm/s，而另一种有铁芯无刷同步直线电机可以达到8000N的额定推力，可以获得高于先进水平的最高速度；近几年，一些发展中国家也在此方面取得了一些成果，直线电机已经获得了蓬勃的发展[5]。
我国由于近代发展的迟滞，在直线电机方面的研究一直较晚，许多技术较于国外也有一定的落后，直到20世界70年代，浙江大学翻译了《直线感应电动机》这一文集，我国才算正式开始了直线电机的研究，国内也因此涌现出一大批应用开发单位。虽然我国这方面技术起步较晚，但是其中的成绩可谓突飞猛进，具体的成果也是令人瞩目，在2002年底，我国的磁悬浮列车在上海首次试验成功，最高时速达到了433km/h。我国的直线电机发展已经步入了新的时代。
近几年，国内直线电机品牌奋起直追，也取得了一些突破性的成果，代表性的企业有哈尔滨泰富、郑州微纳、背景首科凯奇等。这些企业的各种自动化设备，如直线电机驱动的轨道交通、直线电机驱动的食品加工等都有了自主研发的产品。在国内的研究所和知名学府中，从事直线电机研究的并做出相应成就的也有不少，如清华大学、中国科学院、浙江大学，上海及北京的一些知名高校等。
1.3 主要研究内容
阅读相关国内外文件，具体阐述直线电机的结构组成和工作原理。分析直线电机的基本结构，工作原理并建立相应的数学模型，比较并确定具体的调速控制方法；分析PID控制方法优缺点并在Simulink中进行仿真。根据仿真图形进行结果分析。
2 直线电机原理与模型
直线电机可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成.。从旋转电机的角度来描述就是初级相当于旋转电机的定子，次级相当于旋转电机的转子。而在实际应用中，为了能够保持初级与次级之间的耦合，初级与次级的长度往往存在偏差。而具体的哪个比较长，则没有明确的规定，一般来说，初级短于次级可以节省成本与费用，这就使得直线电机的应用更为简易化[6]。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 国内外研究综述 1
1.3 主要研究内容 2
2 直线电机原理与模型 3
2.1 基本结构和工作原理 3
2.2 直线电机数学模型 4
2.3 坐标的空间变换 7
2.4 直线电机仿真模型 9
2.5 本章小结 13
3 调节控制器选用与设计 13
3.1 PID控制简介 13
3.2 基于PID的直线电机调速控制系统 16
3.3 本章小结 16
4 控制系统仿真 17
4.1 直线电机PID设计及仿真 17
4.2 控制器参数整定方法 18
4.3 系统仿真 18
4.4 结果分析 19
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
旋转电机的出现带动了现代传动技术的飞速发展，它可以把电能转换成电机的转矩，在许多场合都有应用。而自从旋转电机出现开始，人们就在思考是否可以有一种将电能直接转换成直线运动机械能，这就是直线电机。这种电机不仅具有上述的能量直接转换的优点，而且不需要中间传动装置，结构简单体积小、噪声小、组合性强[1]。随着现代电机与微电子技术的发展，直线电机在品种和应用上已经完全不逊于旋转电机，甚至某些领域已经完全超越了旋转电机。尤其是在汽车、磁悬浮等领域，取得了令人瞩目的成就。由于直线电机广阔的应用前景和使用领域，国内外关于直线电机的研究也是日益趋紧，然而我国关于这方面的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
技术还处于起步阶段，许多关键性的技术仍是沿用发达国家的专利，以及直线电机的使用量和普及率依然不高。我国直线电机仍大有文章可做，特别是在直线电机速度精确控制和仿真软件等方面存在很大的发展空间[2]。
所有关于直线电机的研究都是为了能够让直线电机得到实际的应用，这也是各个企业和专家关注的主要原因。然而，直线电机的缺点也是显而易见的。例如，由于其非线性和不确定性的特点，许多控制器都很难达到其精度要求，响应速度和上升应时间也比较难达到理想的状态。本文针对直线电机的这一特点，选用了一种经典PID控制方法，采用了临界比例度法整定参数。该系统使得永磁同步直线电动机速度跟踪系统具有响应的快速性、鲁棒性和抗干扰性，PID控制系统应用在永同步直线电机中具有很好的动静态特性。
Smiulink这一强大的仿真软件在电气与汽车行业具有广泛的应用，而直线电机的特性也使得将Simulink用于此方面十分合适[3]。本文在此基础上，沿用了经典的PID控制方法，在经过多次的仿真实验之后，得到精确的仿真波形，并做了详细深入的分析。
1.2 国内外研究综述
在旋转电机出现之后不久，人们就开始着手于直线电机的开发。直线电机第一次问世在1840年左右，但由于电机气隙和初级绕组线路等问题最终没能成功运行。然而这次研究却带动了全世界的直线电机热潮，随后的直线电机研制与应用获得了巨大的发展，主要经历了三个历程：探索试验、开发应用和实用商品化。其中探索试验阶段主要是研究数据和实验；开发应用阶段则出现了许多与电机有关的实物，如空气压缩机、磁头定位驱动装置、缝纫机等；实用商品化时代的到来，才真正的把直线电机代入生产与大众生活，直线电机开始得到批量的生产和广泛的应用，如高速钻孔用直线电机、PCB打孔用永磁直线电机和采油机用永磁直线电机[4]。
经过了一百多年的发展，欧美等国的直线电机技术已经趋于成熟，其科研成果也已应用到物流、自动化、交通、车辆等各个领域。其中的代表就是西门子，其研发的数控直线电机最大推力达到了6600N，最高速度4.5m/s。而直线电机中的佼佼者发那科也推出了用于高端设备的无刷直线电机，这款电机可以在运行时有效的避免磨损，而且其控制系统可以保持很好的响应与精度，也使得整个系统的实用性相比于传统的直线电机大大提高。MITSUBISHI公司近几年在直线电机领域取得了突破性的进展，其电机实验平台精度达到了±1.5μm；Kollmorgen公司开发的无铁芯永磁无刷同步直线电机能够达到世界先进水平的运动精度，最低速度可以达到1μm/s，而另一种有铁芯无刷同步直线电机可以达到8000N的额定推力，可以获得高于先进水平的最高速度；近几年，一些发展中国家也在此方面取得了一些成果，直线电机已经获得了蓬勃的发展[5]。
我国由于近代发展的迟滞，在直线电机方面的研究一直较晚，许多技术较于国外也有一定的落后，直到20世界70年代，浙江大学翻译了《直线感应电动机》这一文集，我国才算正式开始了直线电机的研究，国内也因此涌现出一大批应用开发单位。虽然我国这方面技术起步较晚，但是其中的成绩可谓突飞猛进，具体的成果也是令人瞩目，在2002年底，我国的磁悬浮列车在上海首次试验成功，最高时速达到了433km/h。我国的直线电机发展已经步入了新的时代。
近几年，国内直线电机品牌奋起直追，也取得了一些突破性的成果，代表性的企业有哈尔滨泰富、郑州微纳、背景首科凯奇等。这些企业的各种自动化设备，如直线电机驱动的轨道交通、直线电机驱动的食品加工等都有了自主研发的产品。在国内的研究所和知名学府中，从事直线电机研究的并做出相应成就的也有不少，如清华大学、中国科学院、浙江大学，上海及北京的一些知名高校等。
1.3 主要研究内容
阅读相关国内外文件，具体阐述直线电机的结构组成和工作原理。分析直线电机的基本结构，工作原理并建立相应的数学模型，比较并确定具体的调速控制方法；分析PID控制方法优缺点并在Simulink中进行仿真。根据仿真图形进行结果分析。
2 直线电机原理与模型
直线电机可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成.。从旋转电机的角度来描述就是初级相当于旋转电机的定子，次级相当于旋转电机的转子。而在实际应用中，为了能够保持初级与次级之间的耦合，初级与次级的长度往往存在偏差。而具体的哪个比较长，则没有明确的规定，一般来说，初级短于次级可以节省成本与费用，这就使得直线电机的应用更为简易化[6]。
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