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随着现代工业的发展,高性能伺服驱动系统在机器人制造、数控机床、军工、纺织等工业机械上被更广泛的应用。为提升伺服驱动系统性能,本文对交流伺服永磁同步电机设计及控制进行了系统、深入的研究。
1、在系统分析有极间隔断表贴式磁钢构成的PMSM的气隙磁密的基础上,建立了不计与计及定子齿槽的极间隔断Halbach型磁钢构成的PMSM气隙磁密解析模型,为该类电机气隙磁密波形的优化设计打下基础。该气隙磁密解析模型即适合于分块式Halbach型磁钢,也适合于平行充磁表贴式磁钢构成的PMSM。深入分析电机结构参数及磁钢的充磁夹角与磁钢极角对气隙磁密波形的影响,提出一种新型极间隔断Halbaeh型磁钢结构,提高了气隙磁密波形的正弦性与基波幅值,该类磁钢结构的PMSM的齿槽转矩更小,反电势波形更加正弦,转矩脉动更小。
2、针对电机结构参数对气隙磁密波形基波幅值及正弦性影响的特点,研究了表面响应模型与多目标微粒群算法的多目标优化算法,给出了pareto曲线优化结果。解决了多目标优化设计时权重较难确定的问题。
3、总结了目前削弱齿槽转矩的电机本体设计方式及求解方法的优缺点,提出基于能量法的磁密一次方与磁导平方傅里叶级数组合的齿槽转矩解析模型,以及基于Maxwell应力法的沿气隙圆周路径的齿槽转矩解析模型,解决了沿槽边路径求解而忽略切向磁密分量影响的缺失,揭示了各结构参数与各阶磁密分量对齿槽转矩的影响。
4、系统分析了极槽配合、槽口宽、极弧系数、斜槽等参数变化对齿槽转矩峰值的影响,给出参数的合理选择方式,提出槽口宽选择的修正方法,并进行有限元验证,对降低齿槽转矩具有指导意义,分析方式可推广应用于特殊结构的定子槽与磁钢。
5、以降低齿槽转矩为目标,研究了Taguchi算法在电机优化设计中的应用,该方法的应用确定了各参数的优化设计权重,并大大减少了有限元分析的样本数,提高了分析效率。
6、基于气隙磁密波形的解析模型,推导了绕组的磁链解析表达式,以及绕组的反电势解析表达式,适用于任意节距、单层、双层、整数槽、分数槽绕组,研究了Halbach型磁钢反电势波形与磁钢参数的关系。
7、提出一种基于复数气隙磁导的电枢反应磁场解析模型,模型计及定子齿槽的影响,并适用于求解径向与切向的磁密分量,提高了电枢反应磁场计算的精确性。在引入饱和系数的基础上,应用该模型求解电机的自感与互感,基于气隙磁密与电枢反应磁场的解析模型,应用能量法分析了电机转矩的各分量,并对比研究了两种Halbach型磁钢的PMSM转矩脉动情况。
8、分析了id=0的矢量控制策略,并基于Matlab进行仿真研究。提出了利用.Active-set方法对伺服控制系统的电流环与速度环PI参数进行优化,优化前后的结果对比表明该方法的合理与有效性；设计了一种电流环比例模糊控制与PI积分控制相结合的模糊控制算法,与普通PI的控制效果进行对比性能更优。
9、基于TI的TMS320F2808与ALTERA的CPLD-epm3128芯片,开发了永磁同步电机的伺服控制系统,给出硬件和软件设计方案。试验研究了伺服样机系统,并在纺织横机实际工况进行系统测试。试验结果验证了论文所提设计理论的正确性和控制方案的可行性。样机系统具有较强的工程应用价值。