直线电机平台

直线电机平台（精选7篇）

直线电机平台 篇1

0引言

采用直线电机作为多轴联动平台的驱动装置, 与传统“旋转电机 + 滚珠丝杠”的驱动方式相比, 具有高速度、高加速度、定位精度高、行程不受限制等优点[1],而控制系统的电源则是整个控制系统的动力源,其性能优劣直接影响控制系统工作可靠性。反激变换拓扑是采用耦合电感代替传统buckboost变换中的电感得到的,在实际中得到了非常广泛的应用。参考文献 [2] 主要论述了NCP1271的工作原理及特点,并对一款采用NCP1271的19 V/3 A的开关电源进行了简单测试。参考文献 [3] 设计了一款采用NCP1271的反激式开关电源,侧重研究了soft-skip工作模式。参考文献 [2-3] 所涉及的采用NCP1271反激式开关电源,其效率最高为87.4%。

本文基于单端反激电路的工作原理,采用NCP1271A电流模式PWM控制器,制作了一款宽范围电压输入、24 V/2.5 A输出的反激式开关电源, 详细论述了反激式变换变压器的设计,针对反馈补偿环路进行了小信号分析,并对光耦输出极点进行了补偿,同时绘制整个电源开环环路的伯德图,对补偿网络参数进行优化。最后,对设计的开关电源进行了整机测试,包括空载启动测试、待机功耗测试、带载启动测试、效率测试等。设计的单端反激开关电源的过程,可对采用类似拓扑和芯片的开关电源设计提供借鉴。

1直驱多轴平台辅助电源拓扑及原理

本文所设计的直驱多轴平台辅助电源采用单端反激拓扑,图1是直驱多轴平台辅助电源原理框图, 主要包括输入滤波电路、整流滤波电路、反激变压器和MOSFET组成的反激变换电路、芯片控制电路、 MOSFET驱动电路、电流检测电路、输出电压采样及反馈电路、输出整流滤波电路等。

图2是单端反激变换器变压器典型波形图。开关管Q1导通期间,整流滤波后的直流恒定电压加在变压器初级绕组两端,初级电感电流Ip线性上升, 变压器储能能量 ;Q1关断,励磁电感的电流使各个绕组电压反向,由于电感电流不能突变,在Q1关断期间变压器电流从初级绕组传递到次级绕组,电流大小遵守安匝数等式。在Q1再次导通前,次级电流Is降为零,变压器初级储存的能量在Q1再次导通前全部传送到负载端,这时变压器就工作在断续模式。本文所设计的直驱多轴平台辅助电源工作在断续模式。

2直驱多轴平台辅助电源变压器设计

单端反激变换器中的变压器与传统的变压器不同,因反激变压器初级与次级绕组在不同的时刻导通并流过电流,在开关管Q1导通时作为储能电感工作,在开关管Q1关断时作为隔离变压器运行。

本文设计的直驱多轴平台辅助电源工作在非连续模式 (DCM)。反激电源非连续工作模式,功率晶体管零电流开通,开通损耗小。当以最大负载工作时设计为临界模式 (BCM),则正常工作时为非连续反激变换[4]。基于上述思路对直驱多轴平台辅助电源的变压器进行设计,主要公式如下所示。

最大占空比 :

式中Vor为反射电压,Vin(min)为最小输入电压。 其中反射电压 :

式中Np为初级匝数,Ns为次级匝数,Vo为输出电压,Vd是整流二极管正向导通压降,典型值为1 V。

最大初级输入电流平均值 :

式中Pin表示输入功率。

BCM模式一个周期内初级峰值电流 :

变压器初、次级匝数比 :

变压器初级电感量 :

式中Ton(max)表示最大导通时间。

初级变压器匝数 :

式中Ae为磁芯有效截面积,ΔB(max)为最大磁通密度。

在计算之前首先使用AP法选择磁芯,最终选用ER28/34磁芯。原始数据为 :Po=66 W,Vo=24 V, η=0.85,Vi n ( m i n )=102 V,Dm a x=0.5,Vd=1.2 V, Ae=0.814 cm2,使用工程计算软件Mathcad Express Prime3.0进行计算,最终结果为 :初级电感量Lp=260μH,初级匝数Np=36匝,次级匝数Ns=9匝, 辅助绕组匝数Nf=6匝。

变压器采 用三明治 绕法,初级采用2股 Φ0.41 mm漆包线并绕,次级采用6股Φ0.41 mm漆包线并绕,辅助绕组采用单股Φ0.41 mm漆包线绕制。

使用TH2811D LCR测试仪对变压器电感、漏感进行测试,结果如下 :Lp=275μH,Ls=17.6μH, Lf=8.5μH,Lk=8.4μH ;使用TH9310耐压绝缘测试仪对变压器绝缘性能进行测试,通过了1 k V耐压测试。

3反馈环路小信号模型及其补偿网络优化

本文所述直驱多轴平台辅助电源采用TL431与EL817配合的输出电压光耦反馈,完成输出电压的动态调整。TL431有良好热稳定性能的三段可调分流基准源,它的输出用两个电阻就可以任意地设置2.5 ~ 36 V范围内的任意值。TL431的典型动态阻抗为0.2Ω,在数字电压表、运放电路、可调压电源和开关电源等场合得到了良好的应用。图3为本文所述直驱多轴平台辅助电源的反馈及补偿环路,C16、R11构成了典型Ⅱ型补偿网络,下面着重其小信号分析。

3.1反馈及补偿环路的小信号模型

将可调精密并联稳压器TL431等效为带有2.5 V电压基准、集电极开路的运算放大器如图4中浅线框所示。忽略光耦发光二极管的动态阻抗,反馈环路对应的小信号等效电路如图4所示。

有 :

式中Vop(s)是TL431阴极输出电压,表达式为 :

由式 (8)、(9) 可得 :

芯片反馈脚电压 :

式中CTR表示光耦电流传输比,Rpullup表示光耦副边上拉电阻。

由式 (10)、(11) 可得 :

3.2光耦等效极点的补偿

光耦光敏晶体管侧的等效电容,在反馈环路中对应了一个极点,根据EL817的数据手册,查得Rpullup=16.7 kΩ 时,-3 d B处对应的交叉频率约为fpole=2 k Hz,对应光耦光敏晶体管侧的等效电容可计算得 :。

针对光耦光敏晶体管侧的等效电容,在电路中并联了电容C26对其进行了补偿,考虑光耦光敏晶体管侧等效电容及补偿电容C26后,式 (12) 变为 :

由此可得整个电源开环环路伯德图,见图5。

图5中相位裕度66.3°,环路低频段具有很高的增益,环路的稳定性和稳态误差可以得到很好的保证。

4单端反激变换器整机测试

本文所设计的单端反激式变换器实物的功率开关管采用了超结MOSFET LSC07N65,以期进一步提高效率。

4.1空载启动测试

图6、图7是不同交流输入电压启动波形, CH1是辅助绕组输出电压波形,CH2是反馈脚波形。 反馈脚波形由于保护元件稳压管的存在,在启动过程中被限制在3.86 V,而后随着输出电压的上升开始下降,输出稳定后,芯片进入待机模式,即工作在soft-skip模式。

4.2带载实验

在图8中,CH1表示主开关管漏源极电压应力波形,CH2表示开关管门极驱动波形。从图中可以看出 :在85 V交流输入时占空比为0.5,与变压器设计时设定的Dmax=0.5吻合 ;在开关管关断时,由于变压器存在漏感,其与变压器等效电容、开关管栅源等效电容发生谐振,漏感储存的能量以谐振电流的方式消耗在缓冲吸收网络上,这个谐振电流产生感应电动势,和直流输入电压、反射电压一起加在开关管漏源极,对应图8 b) 关断时刻开关管漏源极电压应力振荡波形,可以看到,在265 V交流输入时,开关管漏源极电压应力最高约560 V,是开关管LSC07N65耐压值的86%,符合应用要求。

4.3效率测试

使用YOKOGAWA WT500功率分析仪和EA-EL916010电子负载,对本文所设计的直线电机多轴联动平台辅助电源进行了效率测试,测得不同交流电压输入、额定60 W负载下的效率曲线,如图9所示,在220 V交流输入、额定负载下整机效率可达89.4%。

5结语

基于反激变换器,设计了一款直线电机多轴联动平台控制系统用辅助电源。首先,分析单端反激变换器的原理,设计高频变压器并优化了反馈补偿环路。通过对样机进行空载启动、带载启动、效率等测试表明 :该电源输出纹波小,动态超调小,效率高,非常适合作为直线电机多轴联动平台控制系统的辅助电源。

扁平型永磁直线电机平台的装调 篇2

直线电机是一种不需要任何中间传动结构就能够将电能转化为直线运动的机械能的传动装置, 因此这种传动方式也称为“零传动”或“直接驱动”。“零传动”的优点是在短时间内可得到高加速度, 即反应速度快、效率高。直线电机具有加速度大、速度高、定位精度高、结构简单、噪音小、行程不受限制、进给速度范围宽、免维护、工作安全可靠、寿命长等优点。直线电机可被广泛的应用在军事、民用与建筑业、工业、医疗、交通运输等方面。

扁平型直线电机在高精度直线驱动中获得了广泛的应用, 但它的高精度、强磁吸力给装配工作带来很大难度。因此只有采用相应的装配工艺方法, 才能使电机平台的装配精度得到保证。

1 工作原理

直线电机不仅在结构方面相当于从旋转电机演变而来, 而且其工作原理也与旋转电机相似。它可看作是将旋转电机沿半径方向展开成直线而得到的。由定子演变而来的一侧称为次级, 转子演变而来的一侧称为初级。

当在直线电机初级中通入电流后, 便会产生行波磁场, 在行波磁场和磁极磁场的共同作用下产生驱动力, 从而使运动部件做直线运动。

2 直线电机平台结构

平台整体上可分为运动部件和固定部件两大部分, 主要的组成部件为:平台底座、电机初级、电机次级、直线导轨、光栅测量系统、冷却装置、防护装置。如图1所示

1) 初级和次级是产生电磁推力的两个重要部件, 他们之间的气隙发生微小变化就能引起电机性能的很大改变, 他们的相对位置关系非常重要;

2) 直线导轨起支撑和引导初级的作用, 使初级在运动中始终和次级保持平行的位置关系;

3) 光栅测量系统主要包括:光栅尺、读数头, 他们的安装精度也影响电机平台的工作精度;

4) N、S磁极检测反馈一般采用霍尔效应元件;

5) 直线电机的冷却系统非常重要, 尤其是大推力直线电机, 必须采取冷却措施, 进行温度限制, 防止温升引起气隙 (初级和次级之间的间隙) 的变化;

6) 永磁体具有强磁吸力, 必须有防护装置进行隔磁, 防止铁磁性物质被吸入从而破坏直线电机。

3 装配注意安全事项

1) 手表、磁性材料 (磁卡、软盘等) 等要远离;

2) 安装、维修、维护设备时要带防护手套;

3) 带心脏起搏器的人员不得靠近;

4) 装配前才可以打开次级包装箱;

5) 装配时至少有2人操作;

6) 永远不要把初级直接放在次级上;

7) 永远不要同时拿两块次级;

8) 使用钢制工具时要握紧工具, 从侧面接近次级;

9) 装好的次级要用非金属材料 (如木块、大理石) 把它盖好;

10) 在初级和次级装好后, 要防止初级在磁力的作用下移动;

11) 要使用专用安装工具和检验仪器。

4 装配难点及要点

4.1 强磁场力的影响

直线电机次级的稀土永磁体—钕铁硼 (Nd Fe B) , 它的磁性材料是钕, 氧化铁等的合金, 又称磁钢。由于其优异的磁性能而被称为“磁王”。钕铁硼以高磁能积、高矫顽力和高能量密度的优点使其被广泛应用在在现代工业和电子行业中。它能够吸起约为自身质量400~500倍的铁磁性材料, 对邻近的铁磁性物质有极强的磁化能力, 扁平型直线电机初级和次级之间的磁吸力是电机连续推力的5~8倍。

4.2 气隙精度高

电机性能会随着气隙的大小而改变, 因此对直线电机而言气隙是重要参数, 通常气隙尺寸在0.7mm左右。电机平台装配后要保证全行程范围内气隙尺寸的一致性。除此之外平台的工作精度还与次级、直线导轨、光栅测量系统的安装位置有关, 所以在装配过程中要保证以下几点:

1) 直线导轨要有安装基准面, 安装后要进行测量保证两条直线导轨相互平行并在同一水平面上;

2) 安装的光栅尺与导轨要平行。光栅尺安装位置尽量靠近直线电机, 最好安装在导轨内直线电机的旁边, 以获得最优的反馈控制效果;

3) 全行程次级的上表面与直线导轨的上表面等高, 且平行;

4) 拼接在一起的次级之间的间隙不得大于0.5mm;

5) 次级N极的标志要在同一个方向上。

4.3 避免零部件干涉或错位

错位方式:动子平错位, 动子斜错位, 定子斜错位;

干涉方式:气隙不均匀, 气隙不符合要求尺寸过小;

5 扁平型永磁直线电机平台的装配

5.1 平台的装配方案

装配初级和次级时, 两者之间会产生很大的磁吸力, 为避开二者间强磁吸力的干扰, 每块次级紧固后, 用防磁板盖上, 然后再装另一块次级。次级串联在一起装配时必须保证N极的标示都要对着相同的方向。

为避免磁力的影响, 可以采用下面的方法:见图2

方法1:导轨辅助法

将辅助导轨接在直线电机平台的一侧, 它的上下位置要求可调, 具体装配工序如下:

1) 在辅助导轨上装调好初级, 此位置可以避免磁吸力的干扰;

2) 在平台底座上装好次级;

3) 分别测量装配后初级和次级的相应尺寸;

4) 将辅助导轨调到与平台上导轨等高;

5) 将初级推到正式导轨上。

方法2:分段法

见图3, 当行程长度是初级长度2倍以上时常采用此种方法, 安装工序如下:

1) 先在直线导轨上装好初级, 并推到左侧;

2) 装好右侧次级, 并测量高度差、平行度;

3) 将初级推到右侧;

4) 安装左侧次级, 并测量高度差、平行度。

次级安装位置要求一致性要好, 为此可以设计一个安装基准面, 以保证次级中心在一条线上。将直线导轨上面定为安装高度的基准面, 测出次级上表面与导轨上表面的差值, 以保证全行程内气隙均匀。

此方法不仅省去了安装辅助导轨的费用, 同时避免了磁吸力的干扰。

5.2 气隙调整设计

由于初级与次级之间的距离为0.7mm, 故必须考虑由于加工和装配综合误差引起的初级与次级距离的变化, 在初级与工作台之间设计了调整垫片, 当装配后的间隙不符合要求时可以通过调整垫片的厚度来调整初级与次级的间隙。调整垫片的抽拉很方便, 并且加工时精度很容易保证, 此种方法大大降低了装配的难度。

5.3 保证气隙的工艺方法

5.3.1 平台安装精度

5.3.2 气隙装配工艺

图4依据尺寸链环数最少原则, 建立了垂直方向的尺寸链, 保证装配后气隙尺寸, 其中调整垫片尺寸为A0, 动子总成高度为A1, 气隙尺寸为A2, 定子总成尺寸为A3;直线导轨和滑块的总高度 (厂家给定) 为A5。在装配前要测量各尺寸, 以保证装配的尺寸符合要求。

5.3.3 固定部件加工要求

图5中数字标号所指的是与装配有关的重要面。加工平台底座的连接面时, 对带标号的1~7面要精加工, 要保证加工尺寸如下:

1) 面3与导轨面1和5的距离;

2) 面1、面5要在同一水平面上, 及面1、5与次级连接面3、底座面6的平行度;

3) 直线导轨的定位面2与4的平行度;

4) 面2与面1、面4与面5的垂直度;

5) 光栅尺安装面7与面5的垂直度、和面7与面4的平行度。

在面3上装直线电机的次级总成。然后测量面0与面1或面5的高度差h0。

5.3.4运动部件加工要求

见图6精加工运动部件, 要保证加工尺寸如下:

1) 面4、面6与面3的高度;

2) 调整垫片1的上下表面高度;

3) 面4、面6与面3的平行度。

将1、2和5用螺钉固定在一起, 根据固定部件的测量结果h0, 气隙尺寸A2、直线导轨和滑块的总高度A5, 计算出所需的调整垫片的厚度, 然后完成运动部件的装配, 最后以面4或面6为基准测量面5与其高度、平行度。这样就在垂直方向建立了最短的尺寸链, 使装配精度容易控制。

5.3.5 防止零部件干涉或错位的..设计

为保证水平方向上的装配精度, 同样在水平方向上建立了尺寸链;同时设计者要选好初级和次级安装的基准面, 基准面将保证初级和次级安装的精度。

6 结论

本文对扁平型永磁直线电机平台的结构进行了简单介绍, 并对注意安全事项和工艺方法进行了探讨, 参照上面的工艺方法进行了直线电机平台的装配, 保证了直线电机平台的装配精度, 缩小了生产节拍, 提高了生产效率。

摘要：简述直线电机的工作原理、扁平型永磁直线电机平台的组成结构、装配安全事项和装配难点, 介绍了装配直线电机平台的方法 , 在保障直线电机平台的精度和性能的同时降低了装配难度。

关键词：永磁,直线电机平台,装配工艺方法,扁平型

参考文献

[1]叶云岳.直线电机技术手册.北京:机械工业出版社, 2003, 8.

[2]叶云岳.直线电机原理与应用.北京:机械工业出版社, 2000, 6.

[3]王先逵.机床进给系统用直线电动机综述.制造技术与机床, 2001, 8.

直线电机平台 篇3

数控机床正在向高速、精密、复合、智能的方向发展,由此也对伺服进给控制系统提出了更高的要求:优良的动态特性,更高的进给速度和控制精度,更低的振动噪声。传统的“旋转电机”伺服传动链比较长,因而导致出现如下技术问题:机械刚度低,难以获得大的进给速度和大的加速度;传动误差较大;机械噪声大,传动效率低。虽然通过不断改进使其传动性能有所提高,但上述问题很难从根本上得以解决,于是,直线驱动伺服技术应运而生。由于直线驱动伺服技术消除了传统机械传动链所带来的一系列不良影响,提高了进给系统的伺服精度和快速性能,因而成为新一代数控机床中最具代表性的先进直驱技术之一。

直线电机具有其独特的优点,但应用于数控机床中仍有一些特殊技术问题需要解决。例如,直线电机因其独特的结构会存在端部效应,从而引起推力波动;直线电机“零传动”方式使得各种负载扰动、内部扰动和外部扰动等都不经过任何中间环节衰减直接作用在直线电机上,增大了伺服控制难度;直线电机应用于高精密机床时,其选型和防磁、配套光栅尺安装和防护、端部效应造成推力特性发生变化等都会影响系统精度。为了充分发挥直线电机的优势,需要对上述应用过程中遇到的技术问题和直线电机伺服系统的动态特性展开深入研究。

1 数控机床用直线伺服系统特性分析

伺服进给系统的稳定性、快速响应性,以及跟踪误差和稳态精度等性能指标是数控机床机械加工性能的决定因素,这些因素确定了机床可以达到的最大进给加速度、最大进给速度、定位精度、零件加工轮廓误差和表面质量等。

传统伺服系统由“旋转式”伺服电机和机械传动链两部分组成,但直线进给伺服系统省去了机械传动部分,因此其动态特性与传统伺服系统有所差别。文献[1]根据直接驱动进给伺服系统的数学模型,分析了高速大推力直线电机驱动进给系统动态刚度的计算方法和其主要影响因素,并提出了提高动态性能的措施。文献[2]应用等效磁场电路和有限元方法,分析了直线电机的空气间隙磁场密度以及其静态特性。文献[3]通过仿真分析研究了高速型长初级直线感应电机的动态性能,分析了电压、电流、压频比、功率因数等参数与推力、负载之间的关系。文献[4]通过对绕组函数进行扩展,分析了偶数极、奇数极、不均匀气隙等因素对直线异步电机电感等参数以及推力和法向力的影响。文献[5]采用有限元法,建立了永磁直线电机模型,对初级线圈与次级线圈、次级线圈与机床间的两种法向吸力进行了详细分析,并运用补偿措施减小了法向吸力在推力波动、机械装配和机床隔磁等方面的负面影响。文献[6]通过有限元方法建立了精密双层气浮直线电机的有限元模型,应用模态叠加法分析了该系统在各种条件下的动力学响应,得到了X、Y、Z三个方向的加速度响应曲线。

2 直线伺服进给系统的先进控制策略

直线电机应用于高精度的数控加工领域时,必须考虑负载变化、各种非线性环节、运行状况改变等不确定因素的影响,直接建立电机在实际应用状态下动态和稳态的精确数学模型非常困难,因此,在选取控制方法时,既要顾及对象模型的结构和参数,又要考虑到模型摄动、负载扰动等不确定性因素对系统稳定性和抗扰能力的影响。

文献[7]为周期性的推力波动建立了基于傅里叶序列的近似数学模型,并进行了前馈补偿控制。文献[8]采用不依赖于模型的非线性扩张状态观测器(nonlinear extended state observer,NESO)对扰动进行了辨识,并通过前馈方式对推力波动进行了补偿。文献[9]设计了H∞鲁棒控制算法来减小由切削力引起的跟踪误差。文献[10]根据直线电机驱动数控机床往复运动特性,采用重复控制策略减小进给系统跟踪误差。文献[11]采用极点配置法研究了直线电机驱动伺服系统的动态性能。文献[12]设计了鲁棒自适应控制器以实现负载扰动的补偿控制。文献[13]采用神经网络对直线电机模型的不确定性和扰动进行了建模和补偿,取得了较好的效果。特别针对静态映射的多层前馈神经网络无法直接获得动态性能描述的不足,选取了动态递归Elman神经网络通过延时反馈捕捉动态响应,使其具有映射动态特性和适应时变特性的功能,比前馈神经网络更适合对直线电机的扰动进行动态描述和补偿。然后基于Elman神经网络,设计了“反馈+前馈”综合补偿方案,即对各种扰动进行动态反馈补偿,而对速度给定信号进行预见前馈补偿,避免了传统前馈控制中对闭环传递函数的求解,从而在提高伺服系统响应速度的同时也满足了伺服系统跟踪精度,神经网络结构还可以根据需要进行动态调整,具有较好的鲁棒性。

总之,近年来研究者们提出的直线电机驱动数控机床伺服系统控制策略概括起来可分为:经典控制法、滑模控制法、自适应控制法、鲁棒控制法、自抗扰控制法、复合控制法和智能控制法等。根据应用场合和性能指标合理选择,可达到要求的控制指标。

在研究先进控制策略的同时,直线伺服系统定位误差测量、建模和综合补偿技术也是值得关注的重点。在保证电气控制系统和机械装置具有一定精度的前提下,通过软件实现综合误差补偿,可提高伺服系统定位精度,且更为经济有效。误差补偿技术首先采用激光干涉仪等精密仪器对工作台的行程范围进行全程标定,测量若干位置的定位误差值,然后进行误差分析和建模,预先计算出工件加工点的空间位置误差,加工时根据位置给定信号读取对应的误差值,通过改变坐标驱动量来实现误差修正,从而提高机床定位精度。

3 数控机床用直线电机伺服试验平台

3.1 动态特性试验系统的构建

笔者根据数控机床用直线电机的性能要求,设计研制了一个综合试验系统,如图1所示。直线电机选用美国Kollmorgen公司生产的IC22-050A2P1系列组件,按照产品手册需求配置了动子(IC22-050A2P1)、磁钢(MC050-0512)、直线导轨(REXROTL)、驱动器(CB10560-000000)和附件(霍尔元件、电缆)等。组装成形后的整机外形长度约为2000mm,净行程约为1800mm。

综合试验系统中重要的直线位移传感用精密直光栅选择了德国HEIDEHAIN公司生产的带钢组件包,具体包括光栅尺(LIDA405ML1840-LIDA485)、支架、读头(LIDA48)和配套的信号电缆(3M/带15针D-sub)等。

Kollmorgen直线电机伺服驱动器输入电源为:三相交流230V/115V、50Hz。相应的外部接口包括:RS-232C通信接口(C1)、反馈传感器信号接口(C2)、开关量I/O接口(C3)、等效编码器输出接口(C4)以及数字显示器接口等。用户可以根据显示器的显示判断相应的运行状态。

综合试验台基座部分采用HT200树脂砂铸造而成,质量约300kg,能够满足高速动态运行的刚度要求,并且保持整个试验平台平稳和牢固。

3.2 调试监测软件和试验研究

本直线电机试验平台所配Kollmorgen伺服驱动器(SERVOSTAR CD系列)提供了一个功能齐全、性能先进的参数设置和在线调试仿真软件———MOTIONLINK。该软件与伺服放大器之间通过RS-232C串口通信连接,并配有相应的输入参数画面、输出结果数据及图形显示画面,通过友好的交互菜单对伺服系统进行参数设置和性能监控。

直线电机驱动进给伺服系统的设置包括电源设置、电机类型选择、控制方式选择、负载辨识确定和数据保存等五个基本步骤。监测结果数据可以导入Excel计算表格,用于后期的数据统计和性能分析。Kollmorgen SERVOSTAR CD驱动器提供三种经典的控制方式供用户选择,分别为PI控制法、PDFF控制法和标准极点配置控制法。

MOTIONLINK软件具有的PC Scope功能可对直线电机运动过程进行参数设置和监测,最多可以同时监测三个系统参数,并能够对直线伺服系统的动态过程在上位机上进行图形化直观显示,图2所示即为MOTIONLINK软件对直线电机速度给定量、实际速度检测值和电流值进行监测的显示结果。

3.3 直线电机驱动伺服单元建模

Kollmorgen SERVOSTAR CD系列直线电机配用的伺服驱动器采用了高性能的DSP微处理器芯片,其工作频率为40MHz。系统闭环回路速度带宽最大为400Hz,速度调节误差小于0.01%,PWM开关频率为8kHz,电机电流脉动频率为16kHz,位置回路刷新时间(频率)为500μs(2kHz),速度回路刷新时间(频率)为250μs(4kHz),SVM电流回路刷新时间(频率)为62.5μs(16kHz),通信数据刷新时间(频率)为62.5μs(16kHz)。伺服系统位置检测采用HEI-DEHAIN公司生产的高精度敞开式光栅尺LIDA,其位移检测精度为±5μm。

直线电机参数如下:峰值推力Fp=1250N;持续推力Fc=548N;峰值电流Ip=22A;持续电流Ic=8.7A;电阻Rs=1.3Ω;电感L=0.0134H;反电势常数Ke=51.4V·s/m;推力系数kf=63N/A;动子质量m=6.9kg;极距τ=0.032m;电气时间常数Tl=10.1ms;最大理论加速度am=18.5g;最大允许线圈温度Tm=130℃;黏滞阻尼系数B=0.2N·s/m。

针对本综合试验系统所选用的永磁直线同步电机,取永磁体基波励磁磁场轴线(磁极轴线)为d轴(直轴),顺着动子运动方向超前90°电角度为q轴(交轴),d-q轴系以电角度ωr随同动子一起运行,它的空间以d轴与A轴间的电角度θr来确定。推导出永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)的d-q轴模型中电压平衡方程式及磁链方程分别为

式中,Rs为动子电阻;Ud、Uq为动子d、q轴电枢电压;id、iq为动子d、q轴电枢电流;v为动子速度;Ld、Lq为动子d、q轴电枢电感;ψd、ψq为动子d、q轴磁链;τ为极距;ψPM为定子永磁体励磁磁链;p为微分算子。

在理想情况下,PMLSM电磁推力Fe可表示为

如果对PMLSM进行矢量控制,使动子电流矢量与定子永磁体磁场在空间正交,即令id=0,则直线电机电磁推力Fe只与iq成正比,即

如果不计端部效应产生的等效阻力,则直线电机的运动方程可以表示为

式中,Fl为负载阻力;m为直线电机动子及所带负载的总质量。

为了嵌入自行开发设计和提出的先进控制策略,可以通过参数设置断开SERVOSTAR伺服放大器内部的闭环回路,再利用自行设计开发的试验板通过RS-232C接口发出控制命令,同时根据通信协议读回伺服驱动器中有关参数和过程变量值,并由开发板中DSP上传给上位计算机予以保存和统计分析。

由于SERVOSTAR伺服放大器既能够实时接收模拟命令或者数字命令,也可以通过RS-232C接收约定的数据包(含命令或数据等),故而这种多通道接口的构造形式,很容易实现该伺服放大器与开发试验板或其他装置之间的顺利对接。

这里虽然采用了串行通信方式交换命令和数据,但由于通信数据包的刷新周期仅为62.5μs,对应通信频率为16kHz,再考虑到命令组成的数据包很小,所以极短的通信时间能够保证本试验系统的实时性要求。

基于上述二次开发的技术路线,构建出了一个开放式直线电机驱动高性能伺服系统的综合试验平台,并广泛深入开展了PID控制法、极点配置控制法、CMAC复合控制法和神经网络学习控制法等多种先进控制策略的试验研究。

4 结语

除上述技术问题以外,还有如下一些方面值得关注。例如,由于数控机床中直线电机速度快、动态响应迅速,因此对机床本体刚度和工作台轻量化结构设计提出了更高的要求;直线电机非线性强耦合的敞开式磁场在机床床身磁性材料的影响下产生畸变,会影响到电机的性能参数;高速机床在加工工件时,切削行程一般只有几十或几百毫米,在需要很高进给速度条件下,只有在瞬间达到高速和在高速行程中瞬间准停,高速直线运动才有意义;直线电机发热对机床结构几何精度的影响及其相应的冷却措施;直线电机伺服驱动单元装于机床垂直进给轴时重力对其的影响以及相应的抑制措施;直线伺服系统高速运行过程中的安全防护等。

当然,在国内,直线电机在机床中的应用还只是处于起步阶段,随着推广应用后产量的增加成本会降低。随着技术难题的不断解决,加工零件对机床精度要求的不断提高,可以预计直线电机在数控机床中的应用必定会越来越广泛。

摘要：在分析数控机床用直线电机驱动伺服系统动态特性的基础上,概括了直线伺服系统抑制外部扰动、提高稳态精度、提高动态响应速率以及增强鲁棒性的先进控制策略,研制了数控机床用直线电机驱动伺服系统综合试验平台及其调试软件,最后,指出了直线电机在使用过程中其他一些值得关注的技术问题。

直线电机平台 篇4

关键词：直线电机,H型运动平台,同步控制

0 引言

直线电机驱动的H型工作台因其具有大的行程范围和高的定位精度而被广泛应用于半导体光刻、微型机械等领域。在实际应用过程中, 由于H型运动平台的组件不是对称结构, 且在制造与安装过程中存在误差, 以及工作过程中存在的不确定性扰动等因素的影响, 导致即使两个完全相同的直线电机和伺服系统, 最终也不能保证横梁两端的同步运动。机械强耦合将导致横梁扭转, 无法保证运动精度, 甚至使结构或驱动元件受到损坏[1], 因此, 实现质心驱动的高精度同步控制是此类平台的控制重点和难点[2,3]。

针对H型双边驱动运动平台建立相应动力学模型, 设计双边同步控制系统, 使用两台相同的直线电机以保证系统具有高速动态同步响应能力, 使用并联控制与模糊逻辑反馈相结合的方法来消除机械耦合的影响, 力求减小双边同步控制的误差。

1 H型运动平台结构及建模

1.1 运动平台结构简介

直线电机驱动的直线运动系统比传统的“旋转电机+丝杠”直线运动系统具有更高的动态性能和传动精度, 代表着直线驱动技术的发展方向。本文研究的H型运动平台用于扫描光刻机的粗动台, 期望同步驱动过程中横梁的最大扭转角度误差小于90 urad。双边直线驱动的H型运动平台可以提供强大的推力, 可以有效避免单边驱动带来的运动滞后和机械振荡[4,5], 其结构如图1所示。平台基座采用结构刚度大、平整度高的花岗岩材料;横梁采用工程陶瓷等轻质、高刚度材料, 两端分别与两个相互平行的直线电机的动子连接, 实现x方向的双边同步驱动;y向直线电机的定子安装在横梁上, 动子与滑块固接, 实现y方向的运动。

1.2 运动平台建模

建立精确的H型双边驱动机构运动模型是研究同步控制的基础, 目前针对平面三自由度H型运动平台的建模主要有两种方式, 一是通过拉格朗日方法建立系统多刚体动力学方程[2,6,7];二是直接为运动平台建立双输入双输出的力到位移的传递函数[8], 这两种方法的缺陷是建模过程复杂, 且只能建立两个单轴直线电机驱动的单自由度模型, 不能体现双边驱动过程中机械耦合的影响, 更不能达到对质心偏移导致的同步运动误差的观测要求。

使用Matlab/Sim Mechanics建立H型双直线电机驱动的x-y-θz三自由度运动平台的机械结构建模, 它能够将双直线的驱动控制和运动过程中的耦合完全体现出来。Sim Mechanics提供可以直接在Simulink环境下使用的模块集合, 它可以对各种运动副连接的刚体进行建模与仿真, 只需要根据拓扑连接关系选择相应的模块和运动副并设置相关参数即可, 极大地简化了机械机构建模过程。Sim Mechanics通过自身提供的检测及驱动模块与Simulink模块连接, 仿真过程无需数据的转换, 极大的提高了仿真计算速度。

图2为使用Sim Mechanics建立的H型运动平台模型, 建模使用到的参数如表1所示。对运动平台进行建模时不考虑运动构件自身的形变, 将其简化为多刚体系统, 在仿真过程中使用Bogacki-Shampsine方法求解。该模型实现了工作台和横梁的x、y方向的移动自由度及z方向的旋转自由度, 横梁两端及滑块上可以直接施加直线电机的驱动力, 在仿真过程中横梁和滑块在推力作用下运动, 准确地模拟了H型运动平台的工作过程, 为研究双边同步驱动奠定了基础。

2 双直线电机同步驱动控制

基于已建立的H型运动平台模型, 使用Simulink模块设计直线电机的控制系统, 直接控制电流信号以达到控制直线电机推力的目的。在横梁两端各添加一个作动器模块以模拟电机, 通过对输入作动器的电流大小及两电流之间匹配关系的控制来保证双边控制的精度。下面研究如何通过单轴控制系统控制推力的大小, 以及如何控制两直线电机之间的推力匹配关系来达到同步运动的目的。

2.1 单直线电机控制系统

双边同步控制的精度很大程度上依赖于单轴控制的精度及其响应速度, 单轴运动精度越高, 响应时间越短, 则双边控制精度越高。基于已经建立的H型运动平台模型, 为单直线电机设计带速度前馈的PID控制系统, 如图3所示。其中G (s) 为直线电机驱动环节, FL为负载干扰, Gc (s) 为PID校正环节, Gp (s) 为前置滤波器, F (s) 为速度前馈环节。实际选取AEROTECH公司的BLM型号系列直线电机, 带入表1中的具体参数, 得到各环节的传递函数如下:

根据ITAE准则[9], 取PID参数为, 取ωn=90, 此时系统对阶跃的响应时间小于0.1 s, 但存在超调13%。由于精密运动平台对位移误差有严格要求, 故根据闭环系统的特点设计前置滤波器Gp (s) 来对消零点以减小超调。

在运用反馈控制的基础上, 针对系统传递函数特点设计速度前馈控制器, 理论上F (s) = (s2+110s) /4 629可以完全消除跟随误差, 但引入s2会导致系统的高频振荡, 所以取F (s) =110s/4 629来最大程度减小系统的跟踪误差, 由仿真结果可以看出斜波信号跟随效果十分理想。

经仿真验证, 该系统对输入0.1 m位移阶跃信号的响应时间约为0.06 s, 无超调, 电机峰值电流为26.8 A, 满足直线电机BLMH-380的峰值电流要求。

2.2 双直线电机同步控制系统

在单直线电机获得较高运动精度的基础上, 如何控制双边推力的匹配是同步控制的难点。常用的同步运动控制策略有并联控制和串联控制两种[10], 串联同步控制在实际应用中主动电机的运动误差及扰动会叠加到从动电机, 且主动电机对从动电机的干扰没有响应能力, 所以实际大多采用并联同步控制;并联同步控制一般比串联同步控制的同步运动精度高, 但其中一个电机受到干扰或两电机承受的负载差别较大时, 便不能保证电机之间的同步性能, 严重时可能造成机械结构卡死或损坏。

传统的串并联同步控制都不能满足高精度同步运动要求, 本文采用一种改进的并联控制方法 (图4) , 在传统的并联结构中增加一个反馈补偿控制器, 补偿控制器对同步误差进行相应的判断和计算, 将处理后的信号反馈到两直线电机的主通道, 以此提高两电机的同步运动精度[11]。当其中一台直线电机发生位置滞后时, 补偿控制器会根据滞后的位移和速度计算出一个差值, 在滞后电机的输入信号上叠加这个差值, 从超前电机的输入信号中减去此差值, 以此提高两电机的响应速度和同步运动精度。

补偿控制器采用模糊逻辑算法来保证双轴运动的同步性能, 图5是包含外部扰动的机械控制系统, 其中的模糊控制器的输入为双轴同步直线电机的位移差e=x1-x2和速度差 (位移变化率) ec=v1-v2。输出为补偿电流信号di, 反馈到两轴的输入电流信号中。

2.3 使用模糊逻辑的补偿控制器设计

补偿控制器参数模糊的整定原则为:当偏差|e|较大时, 为di取较大值, 以便快速减小同步误差。当|e|和|ec|适中时, 取较小的di值即可达到减小误差的目的, 同时也有助于减小超调。当|e|较小时, 则根据速度的变化趋势为di取值, 当误差有变大的趋势, 则取较大的di值, 如果有缩小趋势, 取di为较小值或者取0, 当|e|和|ec|都为0时, 取di为0, 即此时双边电机同步运动, 达到同步控制的目的。

输入信号e, ec和输出信号di的语言变量论域如下:

其中, NB表示负较大值, NS表示负较小值, ZE表示0, PS表示正较小值, PB表示正较大值。在模糊运算和判断过程中的主要依据是位移误差e, 位移变化率ec只起到参考作用, 所以对e的取值比ec更细致。论域与数值的对应及输入输出的隶属度函数如图6、图7所示, 控制规则如表2所示。

2.4 仿真结果对比分析

当两直线电机承受的负载相差很大时同步运动误差最大。为了对比使用模糊补偿控制器前后的效果, 将工件台的初始位置设置为离横梁几何中心最远处, 此时双边同步驱动的误差最大, 有助于观测对比效果。分别对普通并联同步控制 (简称CSC) 和添加模糊反馈的同步控制 (简称FLC) 进行仿真实验, 对系统输入0.1 m位移阶跃信号。图8为阶跃位移响应, 其中CSC的双边位移误差明显, 两直线电机的响应超调和达到稳定的时间均有差异, 位移曲线出现明显的分离, 而FLC的双边位移运动曲线重合, 从图中看不出明显的位移误差。

图9为双边位移误差对比, 由图可见CSC最大误差为5 mm, FLC最大误差为70 um, 即最大扭转角度为82 urad, 模糊反馈同步控制使位移误差减小了两个数量级, 且调整时间比CSC快, 达到了期望的控制目标。图10为双边速度误差对比, 由图可见FLC使速度误差减小了一个数量级, 可见FLC对双边同步驱动有很好的改善作用。

3 结论

使用Sim Mechanics建立了双直线电机驱动的H型运动平台动力学模型, 避免使用传统复杂的数学建模方法, 极大的简化了建模流程;使用Simulink设计相应的控制系统, 利用反馈提高单轴驱动伺服系统的动态性能, 使用前馈控制和PID相结合的方式减小运动跟随误差;设计了带补偿控制器的并联同步控制系统, 使用模糊逻辑算法有效地减小了双边同步驱动的误差, 使系统具有较强的抗负载干扰能力, 提高了控制系统的鲁棒性和机械结构的安全系数。

参考文献

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[4]翁秀华.双直线电机同步控制的研究[D].沈阳:沈阳工业大学, 2005.

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[9]Richard C.Dorf, Robert H.Bishop.Modern Control System[M].北京:清华大学出版社.

[10]张从鹏, 刘强.直线电机气浮精密定位平台设计与控制[J].北京航空航天大学学报, 2008, 34 (2) :224-227.

三边直线电机 篇5

直线电机是不需要任何其他转换机构而将电能直接转换成直线运动机械能的电能装置, 按其结构形式可分为:扁平型、圆筒型、圆盘型等;按功能可分为:直线感应电机、直线同步电机、直线直流电机、直线磁阻电机等。扁平型直线异步电动机在直线输送线、各类分拣设备中已经得到了广泛的应用。

2 项目来源

2011年我们遇到一个特殊的项目, 客户要求开发扁平型直线感应电机, 在体积为长×宽×高=440mm×60mm×140mm的尺寸范围内实现电机推力200N, 连续工作制。这是很大的挑战, 公司最早设计同样性能指标的同类产品尺寸是长×宽×高=735mm×170mm×140mm, 尽管现在设计水平有了很大的提高, 但要将体积缩小到如此状态, 难度很大。特别是60mm的宽度要求, 按常规设计是做不到的。扁平型直线异步电动机绕组结构一般为双层叠绕的方式, 为了提高槽利用率, 槽满率一般在75%左右, 为方便嵌线绕组端部就不能太短, 单面长度控制在30~35mm已经是很好的了, 也就是说铁芯叠厚30mm, 电机宽度最小也要达到90mm。现在要求60mm, 按照常规思路根本无法做到。但为了最大限度地满足客户要求, 达到同样推力下电机体积更小、重量更轻, 实现推力密度大、牵引效率高、系统能耗低、结构紧凑等。我们查找了国内外相关资料, 并经过大量的设计计算, 对众多方案进行论证研讨, 最终确定了采用强迫通风、三边工作扁平型直线异步电动机的方案。

3 结构特点

电机整体结构与扁平型直线电机类似, 均由初级和次级组成, 不同的是扁平电机只有一个面工作, 该电机三个面同时工作, 它的初级两个开槽面及一个叠片方向面为工作面, 另一叠片面为冷却风机安装面;次级做成槽型, 槽的三个内面为工作面。

三边工作扁平型直线异步电动机的初级由初级铁芯以及位于初级铁芯内的初级线圈、冷却系统 (包括风机、安装风机的支架、风机支架与铁芯及绕组端部通过环氧浇注层构成两端密闭的通风风道) 、铁芯两侧分别装有安装块 (客户安装时定位使用) 、铁芯长度两端装有支撑块通过标准件六角螺栓与铁芯连接, 支撑块上钻有螺孔, 供用户安装紧固时使用。初级铁芯有两种设计方式, 我们分别做了样机。一种是将铜芯设计成左右两侧对称开槽的形式, 形成双面开槽结构, 绕组直接绕入铁芯槽内;另一种是将铁芯设计成两部分, 一部分是主铁芯设计成无齿槽的长方体, 另一部分设计成若干个回型铁芯, 线圈绕制成型后在主铜芯上依次装配所需数量的回型铁芯及线圈, 回型铁芯相当于铁芯的齿部。两种方式各有优缺点, 第一种方式电机的绕线工艺难度较大, 特别是体积较大的铁芯在绕线机上安装运转比较困难, 但电机性能相对较好;第二种方式绕组线圈制作简单容易, 易于批量生产, 但对线圈的尺寸要求较高, 电机组装麻烦, 极距不容易保证, 且损耗较大, 电机性能不如前者。

次级采用槽钢型铝铁复合式次级, 导电部分选用铝合金拉伸材料, 导磁部分选用低碳钢, 两部分材料通过粘接的方式组合成一体。导电部分主体形状为槽型, 槽的三个内边与初级 (两个开槽边及另外一个非安装边) 安装时保证固定的机械间隙 (气隙) , 即为电机的三个工作边, 且铝型材的每个外边均设有安装导磁铁轭的凹槽, 使铁轭两端嵌入导电材料的凹槽内, 保证安装铁轭位置固定且安装可靠。

4 效果验证

在样机制造过程中我们注重材料的选择及工艺方法的改进, 特别对槽绝缘的设计选择、环氧树脂材料的选择及浇注尺寸的确认, 经过多次的方案讨论及现场验证, 最终采用将槽绝缘制造成不等边的十字型, 保证十字的一个方向将槽底及两个侧面完全覆盖。另一个方向的宽度略大于槽宽, 长度大于等于磁额的0.5mm长, 且与磁额部分用胶粘剂粘接, 保证在绕线时绝缘不窜动。环氧树脂选择机械性能中等但导热性好的产品。

样机完成后, 试验效果很好, 基本达到设计要求。

目前样机已经在客户新产品上进行试运行, 我们将不断收集运行的试验数据, 通过分析找出存在的问题和不足, 为进一步改进做好充分的准备, 使该产品类型逐渐系列化, 并逐渐应用到更多领域。

摘要：强迫风冷扁平型三边工作的三相直线异步电动机由初级和次级组成。初级由左右两边开槽的初级铁芯、回型绕组、冷却系统等组成;次级由起导电作用的槽型铝合金材料及起导磁作用的低碳钢组成。由于电机强迫风冷、三边工作, 所以较一般扁平型异步直线电机突出了牵引效率高、系统能耗低、结构紧凑、噪音小、易维护、体积小、重量轻、推力密度大等特点。该电机将在直线输送系统中得到越来越广泛的应用。

双边型直线电机结构研究 篇6

1 初级结构研究设计

永磁同步直线电机的初级主要由电枢绕组和铁心两大部分组成。电枢绕组由在同一平面上按照一定规律沿纵向排列并互相连接在一起的多组线圈构成;铁心由具有一定槽型和齿型的硅钢叠片构成;绕组线圈有规律绕接在铁心的齿槽中。电枢绕组由高耐热漆包线作为绕组线圈的导线, 铁心采用高磁导率冷轧无取向硅钢片, 铁心既是绕组线圈的安装和支撑结构, 也是电机的磁路组成部分, 起着汇聚磁通、减小磁漏, 提高气隙密度和推力的作用。

绕组的基本单位是线圈。每个绕组有两个直线边, 分别嵌入在铁心的两个齿槽内, 是绕组的有效部分, 也是电磁能量转换的主要部分。绕组的两个有效边沿纵向相隔的距离称为绕组的节距。当绕组的节距与极距相等时称为整距绕组, 节距小于极距时称为短距绕组。根据每个齿槽内嵌入绕组边数的不同, 绕组可以分为单层绕组和双层绕组, 每个齿槽内嵌入一个绕组边时为单层绕组;每个齿槽内签入两个绕组边, 且分为上下两层时, 为双层绕组。单层绕组多为整距绕组, 双层绕组多为短距绕组。根据每相每极分布的绕组边数不同, 绕组可分为集中绕组和分布绕组。单层绕组每相每极仅有一个绕组边时为集中绕组, 双层绕组每相每极有多于两个绕组边时为分布式绕组。分布式绕组对抑制谐波很有好的效果, 双层绕组多采用分布式绕组。由于直线电机无法像旋转电机那样绕组线圈沿圆周分布, 并最终首尾相连闭合, 所以存在特有的端部效应。而双层短距分布绕组端部效应相比单层整距集中绕组更为明显, 所以我们选择单层整距集中绕组。

通电线圈与对应的N极或者S极永磁体产生电磁作用。各线圈的感应力的方向相同时, 合力才能最大, 因此三相绕组的排列顺序不能随意变化。如果采用单纯的绕组平移, 结果会出现“混相”, 这样感应力的方向相反, 部分力相互抵消, 所以是不可取的。如果直接去掉某一槽中的线圈产生“空槽”, 那么三相绕组的电参数出现不对称, 会导致明显的推力波动, 不符合电动机设计的基本要求。本实验采用“绕组空槽法”, 采用绕组重组产生空槽, 保持原绕组各相的次序不变, 仅变化空槽对应的绕组。这种接线方式没有使绕组浑相, 各槽电流方向也同原来一样, 保留了无空槽绕组的特性。

为了加强磁路闭合和减小涡流损失, 采用薄的硅钢片叠压成铁心。铁心在交变磁场中存在铁损, 包括涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗与硅钢片厚度的平方、峰值磁感应强度的平方以及工作频率成正比, 所以铁心必须由很薄的冷轧无取向硅钢片叠压而成, 片厚一般为0.35mm左右, 片间绝缘一般为0.0015~0.003的无机磷化膜, 绝缘能力应达到。硅钢片必须压紧并固定, 不能松散。平板式永磁直线电机的铁心呈长方体形状, 下部五分之三体积是密排的齿槽和绕组。

如果只是在铁心的轭部卡紧, 下部就会出现“扇翘现象”, 从而带来损耗增加, 通电后噪声较大、发热明显等问题。为了防止“扇翘现象”采用了焊接与螺杆拉紧相结合的办法。虽然焊接使硅钢片之间互相导通, 但它与硅钢片之间没有绝缘还是有很大区别的。若两硅钢片紧贴在一起而且没有绝缘就会产生较大的涡流。焊接导通后涡流很小, 而且片间电位相等, 避免片间放电现象。然后针对绕组空槽法, 在空槽中安置螺杆, 通过螺母来调节位置, 有效地防止了“扇翘现象”。

2 次级结构研究设计

次级主要由永磁体和纯铁底板组成。1983年问世的稀土钕铁硼 (NdFe B) 是第三代稀土永磁体, 稀土钕 (Nd) 在稀土矿中含量丰富, 价格低廉。钕铁硼永磁体的剩磁密度 (Br) 达到1.4T, 矫顽力 (Hc) 达到990KA/m, 最大磁能积高达390。在一定温度范围内的退磁曲线呈直线。本实验设计的直线电机选择了我国生产的具有良好性能的稀土钕铁硼作为次极永磁体, 高性能钕铁硼稀土永磁材料的性价比远远高于其它永磁材料, 目前是高磁场永磁电机的首选材料。我国具有丰富的稀土资源, 在成本方面具有发展高性能钕铁硼永磁电机的得天独厚的优势。

次极永磁体通过气隙与初级绕组和铁心相互耦合, 在初级绕组中产生磁链, 磁链的变化产生空载反电动势。反电动势是电动机最重要也是最基本的设计参数和性能指标, 对电机推力性能有重要影响。理想状态中, 反电动势具有正弦形状的电动势波形, 为了更加接近理想状态, 磁钢的排列作了一系列改进, 如图2所示, 通过有限元计算比较, 取bj=4, a=20o时反电动势波形更为接近正弦波曲线, 故在磁钢设计中采用此截面倒角设计。

用同样的方法计算, 发现磁钢成平行四边形斜排所产生的推力扰动要比矩形直排小, 故在磁钢排列中也采用了平行四边形斜排设计。

把设计好的磁钢极性交替纵向排列粘贴在软铁板上。软铁板采用电工纯铁, 它具有很高的饱和磁感应、低的磁滞损耗, 起到减小磁漏、提高气隙密度, 从而增大推力的作用。

3 结语

永磁同步直线电动机在结构上主要由初级、次级、导轨、传感器、拖链等部分组成。初级和次级是直线电机产生推力的两个最重要的部件, 他们的结构组成很大程度上决定了电机的性能。通过我们设计的初级和次级, 有效地减小了推力波动。

参考文献

[1]叶云岳.直线电机原理与应用[M].北京:机械工业出版社, 2000.

圆筒型直线电机的优化设计 篇7

目前, 直线电机在世界各国的应用大致可分为五个方面, 即物流系统、工业设备、信息与自动化系统、交通与民用、军事及其他方面。国外直线电机从诞生到现在, 已经经历了探索实验、开发应用、实用商品化三个阶段。近年来发展迅速, 一些发达国家在研究和开发直线电机产品方面均取得显著成果, 如美国的西屋公司, 德国的西门子公司, 英国、法国、瑞典、日本的一些公司和研究机构, 投入了大量的人力和物力, 并不断的拓展研发领域。圆筒型直线电机, 由于驱动成本、效率、重量等各项指标, 均优于普通的异步旋转电机, 所以越来越引起人们关注和研究。

二、遗传算法

遗传算法是一种模拟自然界进化过程从而搜索最优解的算法, 遗传算法的基本思想是“适者生存, 不适应淘汰”, 它是最早的群体搜索策略的优化算法, 它将选择、交叉、变异引入算法中, 将每个可行解作为一个染色体, 再通过染色体之间随机的重组, 从而改进可行解在多维空间内的移动轨迹, 从而达到最优解。

2.1遗传算法的改进

遗传算法可以得到全局最优解, 但是不但寻优时间长、而且收敛速度慢。为了解决这个问题这里在遗传算法中嵌入一个倒位算子和一个最速下降算子。1、倒位算子。倒位运算使用单点倒位算子。在染色体基因串中设立一个倒位点, 任意挑选经过选择操作后种群中一个个体作为倒位的目标, 随机产生一个倒位的位置, 在倒位点处进行前后基因码交换, 形成一个新的子个体。倒位运算使用基本位置倒位算子或者是均匀倒位算子。对于二进制基因码组成的个体种群, 实现基因码的小概率倒位, 从而避免问题的过早收敛。2、最速下降算子。最速下降法求得的是局部最优解, 而不能保证是全局最优解。结合最速下降法和遗传算法在最优化问题上的不足及两种方法各自的优势, 两者相结合的更适合于连续可微函数全局优化问题的混合算法, 在遗传算法中插入一个最速下降算子, 在每次繁殖中产生的新的子代, 都要通过概率判断是否需要进行线性搜索运算。这样经最速下降算子的线性搜索运算产生的新的个体继承了其父代的优良品质, 不需要父代和子代都进入子代候选群体。遗传算法的算子的作用是宏观搜索, 进行的是大范围搜索问题, 而最速下降算子中是极值局部搜索, 处理的是小范围搜索和搜索加速问题。

三、遗传算法对圆筒型直线电机优化设计

圆筒型直线感应电机的数学模型复杂, 函数形态差, 有些设计变量如每槽导体数、槽形尺寸有一定的离散要求, 许多变量又要满足一定的条件, 因此它的优化设计是一个混合型、多变量、多约束、非线性的优化问题。电机优化设计是指在满足技术性能的前提下, 选择电机主要尺寸, 电磁参数等设计变量, 使成本最低或者是某指标最好, 电机优化是带有多个不等约束的非线性规划问题, 其目标函数无法直接用解析式表达, 可在一般非线性规划问题中, 寻找一组几维可变向量x, 使目标函数最小。在遗传算法中插入倒位算子及最速下降算子能够较快地得到全局最优解。

3.1目标函数和优化变量

3.2优化结果

利用FORTRAN语言编写的优化设计程序得到优化结果如表1。

四、结论

文章围绕圆筒型直线电机的优化设计, 研究了直线电机的优点及应用情况、遗传算法、圆筒型直线电机的设计方法。通过引入倒位算子和最速下降算子对遗传算法进行了改进, 并将改进的遗传算法用于圆筒形直线电机的优化设计。用改进遗传算法对圆筒型直线电机进行优化设计, 单位体积起动推力增大, 所需供电设备及供电线路减少, 运动系统的总体惯量小, 提高了系统的效率

参考文献

[1]叶云岳.新型直线驱动装置与系统.北京:冶金工业出版社, 2000.

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