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交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计.doc
1、弱而谐波得到加强，导致电机推力密度下降损耗增加，而且存在较大的推力波动。直线电机中由于纵向端部的存在而引起的各种效应称为纵向端部效应，直线电机的结构特点决定了纵向端部效应是不可避免的。．控制难度大直线电机虽消除了机械传动链所带来的些不良影响，但却增加了控制难度。因为在电机的运行过程中负载如工件重量切削力等的变化系统参数摄动和各种干扰如摩擦力等，包括端部效应都直接作用到电机上，没有任何缓冲或削弱环节，如果控制系统的鲁棒性不强，会造成系统的失稳和性能的下降。在要求高精度微进给的场合，要求考虑更多的摄动和扰动等不确定因素对进给运动的影响。．效率低由于结构上的限制，直线电机的气隙通常比旋转电机大，加上端部效应等造成的额外损耗，效率和功率因数均比旋转电机要低。．成本高直线电机的设计制造材料防护和控制系统等成本均较高，随着技术的成熟和应用越来越广泛，直线电机的成本也将越来越低。.直线电机发展历史及其伺服控制系统的研究。
2、的安装要求结构必须多样化．控制数字化直线电机的控制是直接驱动技术的个难点，全数字控制技术是解决这难点的有效方案。世界上第台在展览会上展出的直线电机驱动工作台的高速加工中心是德国公司于年在德国汉诺威欧洲机床展览会上展出的型加工中心，采用的是德国公司开发的感应式直线电机，各轴的移动速度高达，加速度可达。和公司在年代中期的合作最初实现了直线电机在机床上的应用。公司希望机床既高速高精度，又高柔性。合作的结果是公司推出了“高速模块”，结构如图.所示。其三轴都安装了公司的永磁式直线电机，获得很好的性能。国内些公司和研究所也开始涉足机床的高速化工作。在第八届展览会上，北京机电院高技术股份公司推出了我国第台采用直线电机驱动的加工中心立式加工中心，该机床采用了公司的型直线电机和数控系统，轴进给速度可达，加速度可达，主轴最高速。据有关预测十五年后，将有的数控机床的所有轴都安装直线电机。除了切削加工机床外，各种机械加工机床如激。
3、高速与超高速运行的高性能伺服系统中，滞后因素的影响将变的突出，预估器与控制器并联，可以使控制对象的时间滞后得到较好的补偿，这样在设计控制器时就不必考虑对象的时滞影响，对解决伺服系统中逆变器电力传输延迟和速度测量之后所造成的速度反馈滞后影响是十分有效的。在直线永磁交流伺服电机系统中存在着多个电磁变量和机械变量，在这些变量之间存在较强的耦合作用，为了提高控制效果，在交流伺服系统中通常要求实现矢量控制，矢量控制就是将三相电流矢量分解为两个独立的电流分量，以实现单独控制。般是使磁场分量为零，使输出力与交轴电流具有线性关系。电流矢量与速度反馈回路也有耦合作用，在动态过程中，可以采用解耦控制算法加以解决，使各变量间的耦合减小到最低限度，以使各变量都能得到单独的控制。．现代控制方法随着科学技术的发展，对各种机械零件的加工精度要求愈来愈高，必须考虑控制对象参数乃至结构的变化非线性的影响运行环境的改变以及环境干扰等时变的不。
4、决的问题，研究表明通过优化永磁体极距宽度采用磁钢斜排增大气隙采用无槽结构优化铁心长度等措施可以减小或消除齿槽力，但些措施的采用会造成其它性能的减弱。为了研究端部效应对电机性能的影响，许多学者在建立直线电机数学模型时将端部效应的因素考虑进去，减小端部效应可以从结构如加入补偿绕组改变端部形状和控制端部效应补偿两方面采取措施。.从伺服控制器的设计上改进直线电机的性能伺服控制系统是直线电机设计中的另个重点和难点。这是因为直线电机伺服系统运行时直接驱动负载，这样负载的变化就直接作用于电机外界扰动如工件或刀具质量切削力的变化等，也未经衰减就直接作用于电机电机参数的变化也直接影响着电机的正常运行直线导轨存在摩擦力直线电机还存在齿槽效应和端部效应。这些因素都给直线电机的伺服控制带来困难，在控制算法中必须针对这些扰动寻求相应的抑制或补偿方案，否则系统的稳定性很难保证。总的来说，直线电机伺服控制系统的设计应满足以下目的稳态跟。
5、到直线电机的初级和次级，在实际应用中，为了保证在整个行程之内初级与次级之间的耦合保持不变，般要将初级与次级制造成不同的长度。直线电机与旋转电机类似，通入三相交流电流后，也会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场图.。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，使初级和次级产生相对运动，这就是直线电机运行的基本原理。直线电机进给系统优缺点分析现代制造技术的高速加工系统中，直线电机系统已成为标志性元件，直线电机的特点在于能直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转伺服电机滚珠丝杠”相比具有以下优点具体性能见表．没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，因此没有金属和金属的接触，除了直线导轨外没有其它摩擦．结构简单，体积小，以最少的零部件数量实现直线驱动，而且是只有个运动的部件．行程理论上不受限制，而且性能不会因为行程的改变而受到影响．可以提供很。
6、切割等离子切割电火花加工等设备也开始应用直线电机。因此，高推力直线电机有着非常广阔的应用前景！直线电机伺服控制系统的研究综述目前旋转电机的伺服控制系统已经是很成熟的产品了，但作为种直线电机进给系统，主要技术还局限于国外的几家大公司，国内的研究也就是处于起步阶段，沈阳工业大学直线电机的控制算法及伺服控制系统进行了相关的研究取得定的成果。针对高速进给系统用永磁直线同步电机的伺服控制系统，要提高其性能就要从直线电机结构和电气控制两方面着手研究，这包括理论研究和试验研究。.从直线电机的理论设计上提出改进直线电机的性能永磁直线同步电机由于采用永磁体励磁，在有槽电机中会产生推力波纹齿槽效应和端部效应。为了减小推力波纹，应使永磁同步直线电机的初级电流和空载反电势波形尽量接近正弦形。构造正弦波形气隙磁密或选择合适的次级磁铁形状及布置方式都能使初级反电势波形接近正弦波形。提高电机推力密度的同时如何减小齿槽力是永磁直线电机要。
7、综述国内外直线电机历史现状及发展年英国人发明了世界上第台直线电机，但这个直线电机由于气隙过大而导致效率很低，未获成功。在随后的个世纪里，直线电机由于效率低开发成本高而被长期搁置，处于停滞状态。到了二十世纪中叶，控制电子材料等技术的发展，为直线电机的开发提供了理论和技术上的支持，直线电机开始进入新的发展阶段。二十世纪七十年代以后，直线电机应用的领域更加广泛，如自动绘图仪液态金属泵电磁锤轻工机械家电空气压缩机半导体生产等。在这个时期，直线电机的应用逐步渗透到机械制造业，最先用在生产线上运送物料，后来应用到机床上，如高频响小行程直线电机被用来推动车床横向刀架，实现非圆截面零件的车削加工。年代以后，随着高速加工概念的提出，直线电机开始作为进给系统出现在加工中心中。由于直接驱动进给系统具有传统进给系统无法比拟的优势和潜力，再次成为各国制造业关注的焦点，直线电机作为种机电系统，将精度要求很高而又笨重的机械部件“转嫁”。
8、复杂的电气控制系统，这思路符合现代机电技术的发展趋势。目前国际市场的直线电机产品种类繁多，各有特色，美国的公司是世界上最著名的直线电机生产商，该公司在年就推出了无刷直流直线电机，并获得美国专利，他以永磁式直线电机为主，形成了不同结构不同功率的系列产品图.，广泛应用于各种领域。年代中后期，致力于研制以直线电机为驱动的机床进给系统，成为这领域的先驱者之。公司也推出了等大中型推力永磁直线同步电机图.，适合于加工中心进给系统的驱动。此外，公司和德国的公司也推出了永磁直线电机，并进军制造业精密运动领域。目前，国内直线电机的发展还处于实验室开发阶段，主要研究力量是大学和科研院所。将直线电机作为机床或加工中心进给系统研究的主要有广东工业大学沈阳工业大学和清华大学等几所大学。广东工业大学成立了“超高速加工与机床研究室”，主要研究和开发“超高速电主轴”和“直线电机高速进给单元”。他们研究的是直线感应电机，开发了型直线电机高。
9、和制造业水平，国内已经开始了直线电机特别是机床进给系统用的直线伺服电机的研究，但还处在探讨和试制阶段。为了掌握自己的知识产权，清华大学制造所于年开始研究大推力长行程交流永磁直线同步电机进给单元的。之前，第代样机已经制造出来，但控制性能有待改善，有必要进步研究直线电机的交流伺服控制单元。本课题是根据上述背景和研究所现有条件提出来，针对现有的样机进行了三相交流伺服控制系统的研究。作为高速加工中心的关键功能部件之，直线电机的核心技术和应用市场都被国外的大公司如等所拥有，因此自主开发套直线电机及其伺服控制系统对于提高我国制造业水平和高速加工设备国产率有着较大的实际意义和经济价值。此外，直线电机还应用于军事交通等领域，作为种新技术有着很高的推广价值。.直线电机的运行原理及特点直线电机的基本运行原理所谓直线电机就是利用电磁作用原理将电能直接转换直线运动动能的设备。可以想象把旋转电机的定子和转子沿半径剖开后展平，可以得。
10、的速度范围，从每秒几微米到数米，特别是高速是直线电机个突出的优点．加速度很大，最大可达．运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的缘故．精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级．维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。表直线电机与“旋转伺服电机滚珠丝杠”传动性能比较性能旋转伺服电机滚珠丝杠直线电机精度.重复精度.最高速度最大加速度静态刚度动态刚度速度平稳性调整时间寿命,任何事物都有两面性，直线电机也有自身的缺点，主要表现在以下几点．存在纵向端部效应首先，直线电机的结构特点导致绕组在电机中的几何位置不再具有对称性，对多相电机来说这种不对称性会造成各相参数的不对称性，从而引起电机性能的波动。另方面，磁场在纵向端部断开并衰减，使行波磁场的基波。
11、踪精度高动态响应快抗干扰能力强鲁棒性好。不同的直线电机及其应用的场合对控制算法也有不同的要求，所以应根据具体情况采用合适的控制算法。适用于伺服控制系统的微机主要有微处理器单片机和数字信号处理器。随着微电子技术和现代控制理论的发展，伺服控制系统逐渐迈向全数字化控制单元。其中年代推出的和系列单片机，尤其是近几年迅速发展的含有高速数字信号处理器的控制芯片为伺服控制系统提供了高性能的硬件平台，能够满足现代控制算法的实现和实时控制要求。基于上述控制芯片能够实现复杂的控制，目前直线电机伺服控制系统采用的控制策略分析如下．传统的控制策略传统的控制策略如反馈控制解耦控制等，在交流伺服系统中得到了广泛的应用。其中控制算法蕴含了动态控制过程中的过去现在和将来的信息，其配置几乎为最优，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电动机驱动系统中最基本的控制形式，其应用广泛，并与其它新型控制思想结合，形成了许多有价值的控制策略。在要求实现微精进。
12、数控进给单元，额定进给力为，最高进给速度，定位精度.，行程为。沈阳工业大学开始对永磁直线同步电机进行研究，并制造了推力为的样机。除了样机的研制外，他们研究的另重点是直线电机的控制算法及伺服系统。清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所针对高速加工中心进给系统的长行程高推力永磁直线同步电机进行了研究，现在已经设计出第二代样机，设计额定推力为。本课题研究的是用于该直线电机的全数字交流伺服控制系统，争取开发出具有自主知识产权的应用于高速机床进给系统的永磁直线同步电机伺服控制系统。目前直线电机直接驱动技术的发展呈现以下趋势．部件模块化包括初级次级控制器反馈元件导轨等部件模块化，用户可以根据需要如推力行程精度价格等自由组合．性能系列化由于直接驱动，不像旋转电机那样可以通过减速器的减速比丝杠螺距等环节调节性能，单性能的直线电机应用范围比较窄，因此性能的系列化更丰富．结构多样化直线电机般直接和被驱动部件连接，为适应不同。
参考资料：
（全套设计打包）交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计