CN101972933A

CN101972933A - 双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台

Info

Publication number: CN101972933A
Application number: CN 201010549829
Authority: CN
Inventors: 蓝益鹏; 张凤阁; 张武; 邱超; 韩晓明
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: CN101972933B

Abstract

本发明提供一种双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台，包括运动平台和两个长定子直线同步电动机及其控制系统。所述直线同步电动机主要包括定子铁心和可以与定子铁心做相对运动的动子铁心。其特征在于：所述运动平台安装在动子铁心上；在所述定子铁心内设置有励磁绕组，在所述动子铁心内设置有推力绕组；在所述运动平台上设置有电涡流传感器；在所述基座上设置有长光栅传感器；所述励磁绕组和电涡流传感器连接至磁悬浮控制系统；所述推力绕组和长光栅传感器连接至平台运动控制系统。该发明采用电励磁的直线同步电动机的法向磁拉力使平台悬浮以消除摩擦，对进一步提高精密重型数控机床运动平台的精度具有重要意义。

Description

双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台

技术领域

本发明涉及一种运动平台，特别是涉及一种用于精密重型数控机床的无摩擦、直接进给的双直线同步电动机驱动的磁悬浮运动平台，属于数控技术领域。

背景技术

精密重型数控机床运动平台在加工过程中产生的摩擦阻力，特别是在低速时的非线性摩擦不可避免地影响运动平台的精度，导致运动平台产生爬行以及造成反向死区。摩擦是引起精密重型数控机床热变形的原因之一，是影响加工精度的重要因素。摩擦也是引起磨损、产生噪音的因素，需要良好的润滑来提高机床寿命。因此，减小或消除摩擦已成为制约精密重型数控机床运动平台性能的技术瓶颈。

现有的精密重型数控机床磁悬浮运动平台利用直线电动机作为驱动元件，附加多点支撑的电磁铁进行悬浮，装置复杂，特别是缺乏运动平台直接自动悬浮的能力，限制了磁悬浮运动平台的使用和推广。

同时，平板式直线电动机通常是轴向短而纵向长的结构，对于精密重型数控机床较重的负载不可避免的产生轴向以及纵向倾斜，严重影响磁悬浮平台运行的稳定性和可靠性。

发明内容

发明目的：本发明提供一种双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台，其目的是解决精密重型数控机床磁悬浮运动平台对于较重的负载产生的轴向和纵向倾斜，以及平台在加工过程中的摩擦问题。克服以往的精密重型数控机床磁悬浮平台结构复杂、稳定性和可靠性差的技术问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：

双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台，其特征在于：所述平台包括运动平台和两个长定子直线同步电动机及其控制系统；长定子直线同步电动机包括定子铁心和使用时与定子铁心做相对移动的动子铁心；运动平台安装在动子铁心上；在定子铁心内设置有能使动子铁心在定子铁心下悬浮的励磁绕组；在动子铁心内设置有能推动动子铁心相对于定子铁心移动的推力绕组；在运动平台上设置有电涡流传感器；基座穿过运动平台和动子铁心；在基座上设置有长光栅传感器和辅助导轨；励磁绕组和电涡流传感器连接至励磁绕组的磁悬浮控制系统；推力绕组和长光栅传感器连接至运动平台控制系统；定子铁心固定安装在基座的下方；

另一个长定子直线同步电动机及其控制系统的结构与上述结构相同。

所述磁悬浮控制系统包括直流PWM变换器、比例调节器P和电流比例积分调节器PI；电涡流传感器连接至比例调节器P，比例调节器P连接至电流比例积分调节器PI，电流比例积分调节器PI连接至直流PWM变换器，直流PWM变换器连接至励磁绕组；所述运动平台控制系统包括SPWM变换器、位置比例调节器P、速度PI调节器、电流PI调节器和可以产生推力的逆变器；长光栅传感器连接至位置比例调节器P，位置比例调节器P连接至速度PI调节器，速度PI调节器连接至电流PI调节器，电流PI调节器经过坐标变换连接至SPWM变换器，SPWM变换器连接至可以产生推力的逆变器，可以产生推力电流的逆变器与推力绕组连接。

磁悬浮运动平台直线同步电动机的磁极既是励磁磁极，同时也是悬浮磁极。

两个直线同步电动机的励磁绕组固定安装在基座下方的定子铁心中，推力绕组安装在动子铁心中随运动平台一起运动。

运动平台的水平方向运动和垂直方向的磁悬浮运动，都是由基座下面平行安装的两个相同的长定子直线同步电动机共同驱动的。

按照运动平台垂直方向的给定悬浮高度，分别自动调节两个直线同步电动机的励磁电流来改变磁悬浮力。

优点及效果：本发明提供一种双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台。包括运动平台和两个长定子直线同步电动机,所述的长定子直线同步电动机主要包括定子铁心和可以与定子铁心做相对运动的动子铁心，其特征在于：所述运动平台与动子铁心固定连接；在所述定子铁心内设置有励磁绕组，在所述动子铁心内设置有推力绕组；在所述运动平台上设置有电涡流传感器；在所述基座上设置有长光栅传感器；所述励磁绕组和电涡流传感器连接至磁悬浮控制系统；所述推力绕组和长光栅传感器连接至平台的运动控制系统。

为了解决以往的精密重型数控机床运动平台存在的问题，本发明将平台的运动和磁悬浮由两台相同的直线同步电动机来实现，也就是说将直线同步电动机与运动平台结合起来，将运动平台直接安装在两个长定子直线同步电动机的动子上，平台的运动是由两个直线同步电动机的切向电磁推力来实现的，通过调节推力绕组的电流来改变电磁推力；磁悬浮力是定子上的励磁磁极和直线同步电动机的动子铁心之间产生的单边磁拉力，通过电涡流传感器检测悬浮高度，调节励磁电流来调节磁悬浮力使平台保持稳定悬浮，而不出现在水平运动方向以及轴向的倾斜。直线同步电动机的磁极既是励磁磁极，同时也是悬浮磁极，这不同于以往的电磁铁磁悬浮系统，该发明是靠电动机自身产生的磁悬浮力来运行，平台具有直接自动悬浮的能力，能够克服以往的电磁铁多点支撑悬浮、装置复杂，对于精密重型数控机床较重的负载产生轴向以及纵向倾斜，严重影响磁悬浮平台运行的稳定性和可靠性。

另外，该发明还包括以下技术特征：

运动平台是由两个相同的直线同步电动机驱动，其中每一边有一个直线同步电动机驱动，以便产生大的推力和平衡的悬浮力。

直线同步电动机的推力绕组电流为整个装置提供电磁推力，并采用

的矢量控制方式。

每个电动机的励磁电流大小，由独立的磁悬浮控制系统来调节，系统的主电路为直流PWM变换器，采用悬浮高度与励磁电流双闭环控制。悬浮高度控制器为比例调节器，以防止悬浮高度超调，而励磁电流采用PI调节器。

平台的水平运动过程是由控制系统来完成的，这是一个位置、速度和电流组成的三环控制系统。位置环为比例调节器，速度和电流环均采用PI调节器。

由于磁力线总是沿磁阻最小的路径闭合，运动平台与直线同步电动机的动子直接相连，在磁拉力作用下，平台与动子不会向侧面偏斜，相当于现有技术中的导向电磁铁。磁拉力的作用远远大于电磁推力，因此，相当于在电动机的运动方向上两侧有多个导向电磁铁。

本发明具体优点如下：

1、平台的运动和磁悬浮是由两台长定子直线同步电动机共同来完成的，通过调节励磁电流来调节悬浮高度，无需电磁铁多点支撑悬浮，平台结构简单、可靠性高。通过调节电枢电流来调节电磁推力的大小。

2、平台直接与长定子直线同步电动机的动子固定相连，平台的导轨同时也是直线同步电动机的辅助导轨。

3、与以往由纯永磁直线同步电动机组成的运动平台比较，克服了气隙磁场难以调节的缺点。

4、与以往永磁和电励磁混合励磁直线同步电动机组成的运动平台比较，具有磁极结构简单容易实现的特点。

5、该发明的双直线同步电动机驱动的精密重型数控机床磁悬浮运动平台，采用双直线同步电动机驱动，具有承载能力强，无摩擦直接进给的特点，提高了运动平台的精度和响应速度，消除了爬行以及反向死区、热变形、磨损、噪音以及免润滑，提高了机床寿命。

该发明采用直流励磁直线同步电动机的法向磁拉力使运动平台悬浮以消除摩擦，使精密重型数控机床运动平台在直接驱动的同时能够从根本上消除摩擦实现无摩擦进给，而不用象以往那样单独另设电磁铁，使运动平台结构简化，并且大大提高了工作效率，对进一步提高精密重型数控机床运动平台的加工精度具有重要意义。

附图说明：

图1为本发明的双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台结构示意图；

图2为本发明的长定子直线同步电动机的结构示意图；

图3为平台运动控制系统和磁悬浮控制系统的原理框图；

图中标号说明如下：

1.运动平台、2.动子铁心、3.推力绕组、4.定子铁心、5.励磁绕组、6.辅助导轨、7.电涡流传感器、8.长光栅传感器、9.运动平台控制系统、10.磁悬浮控制系统、11.另一个长定子直线同步电动机及其控制系统、12.基座。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1、2所示，一种双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台，包括运动平台1和两台平行安装的直线同步电动机,所述长定子直线同步电动机主要包括定子铁心4和使用时与定子铁心4做相对移动的动子铁心2，所述运动平台1安装在动子铁心2上，基座12穿过运动平台1和动子铁心2；在所述定子铁心4内设置有励磁绕组5，励磁绕组5可以使得动子铁心2在定子铁心4下产生悬浮；在所述动子铁心2内设置有推力绕组3，推力绕组3可以使得动子铁心2相对于定子铁心4做相对移动。励磁绕组5和推力绕组3的布线方向与动子铁心2的运动方向垂直。在所述进给平台1上设置有电涡流传感器7；在所述基座12上设置有长光栅传感器8；所述励磁绕组5，电涡流传感器7连接至磁悬浮控制系统10；所述推力绕组3和长光栅传感器8连接至运动平台控制系统9。

如图3所示，所述磁悬浮控制系统10包括PWM变换器、比例调节器P和电流的比例积分调节器PI；所述电涡流传感器7连接至比例调节器P，比例调节器P连接至电流的比例积分调节器PI，电流的比例积分调节器PI连接至PWM变换器，PWM变换器连接至励磁绕组5；励磁绕组5在气隙中产生磁场，其大小由悬浮高度来决定。将给定悬浮高度与电涡流传感器7检测到的反馈高度相比较形成误差信号，该误差信号通过比例调节器运算得到励磁电流的给定量，经过电流调节器PI产生直流PWM变换器的控制信号，通过改变占空比来调节励磁电流的大小，对气隙磁场进行调节，从而改变磁拉力的大小，形成一个悬浮高度的自动调节系统。

当运动平台1、动子铁心2以及运动平台1所负载的总重量与磁拉力的大小相等时平台1处于悬浮状态，这一过程是由两个直线电机的两个磁悬浮控制系统共同来完成的，以保证在负载扰动时悬浮高度不变。

所述运动平台控制系统9，如图3中上面部分所示。包括SPWM变换器、位置比例调节器、速度PI调节器、电流PI调节器和可以产生推力的逆变器；所述SPWM变换器就是正弦波脉冲宽度调制变换器；所述长光栅传感器8连接至位置比例调节器，位置比例调节器连接至速度PI调节器，速度PI调节器连接至电流PI调节器，电流PI调节器经过坐标变换连接至SPWM变换器，SPWM变换器连接至产生推力的逆变器，逆变器与推力绕组3连接。

当在动子铁心2中的推力绕组3中通入三相对称正弦电流后，在气隙中产生行波磁场。该行波磁场与在定子铁心4上的励磁绕组5产生的励磁磁场相互作用产生电磁推力。

运动平台1的运动过程是由运动平台控制系统9来完成的，这是一个位置、速度和电流组成的三环控制系统。将给定量与长光栅传感器8检测到的反馈量相比较形成位置误差信号，该误差信号通过位置比例调节器运算得到运动速度的给定量，它与由长光栅传感器8检测到的位置信号中分离出的速度反馈信号比较形成平台运动速度误差信号，该误差信号通过速度PI调节器运算后形成电流的给定量，再与电流的的反馈量相比较形成电流误差信号，该误差信号通过电流PI调节器运算得到逆变器的控制信号，通过对推力绕组电流采用的矢量控制方式，来完成的系统的调节作用。因此，运动平台控制系统9本质上是一个位置伺服系统。另一个长定子直线同步电动机及其控制系统11的结构和控制过程与上述结构相同。

所述定子铁心4设置在基座12下部，在基座12上部还设置有辅助导轨6。当磁悬浮运动平台1不工作时，停在基座12上的辅助导轨6上，所述动子铁心2工作时就是沿着辅助导轨6的方向悬浮移动。

该发明的平台水平方向运动和垂直方向磁悬浮运动，由两台平行安装的相同的长定子直线同步电动机同时驱动，平台直接安装在长定子直线同步电动机的动子上，平台的运动是由直线同步电动机的切向电磁推力来实现的，通过调节推力绕组的电流来改变电磁推力；磁悬浮力是动子上的励磁磁极和直线同步电动机的定子铁心之间产生的单边磁拉力，通过调节励磁电流来调节磁悬浮力,运动平台依靠两台电动机自身产生的磁悬浮力来运行，具有直接自动悬浮的能力。

该发明采用直线同步电动机的法向磁拉力使运动平台悬浮以消除摩擦，使精密重型数控机床运动平台在直接驱动的同时能够从根本上消除摩擦实现无摩擦运动，并且不用单独设置悬浮电磁铁，结构简洁合理，对进一步提高精密重型数控机床运动平台加工精度具有重要意义，比较利于在精密重型数控机床领域推广应用。

Claims

1.双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台，其特征在于：所述平台包括运动平台（1）和两个长定子直线同步电动机及其控制系统；长定子直线同步电动机包括定子铁心（4）和使用时与定子铁心（4）做相对移动的动子铁心（2）；运动平台（1）安装在动子铁心（2）上；在定子铁心（4）内设置有能使动子铁心（2）在定子铁心（4）下悬浮的励磁绕组（5）；在动子铁心（2）内设置有能推动动子铁心（2）相对于定子铁心（4）移动的推力绕组（3）；在运动平台（1）上设置有电涡流传感器（7）；基座（12）穿过运动平台（1）和动子铁心（2）；在基座（12）上设置有长光栅传感器（8）和辅助导轨（6）；励磁绕组（5）和电涡流传感器（7）连接至励磁绕组的磁悬浮控制系统（10）；推力绕组（3）和长光栅传感器（8）连接至运动平台控制系统（9）；定子铁心（4）固定安装在基座（12）的下方；另一个长定子直线同步电动机及其控制系统（11）的结构与上述结构相同。

2.根据权利要求1所述的双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台，其特征在于：所述磁悬浮控制系统（10）包括直流PWM变换器、比例调节器P和电流比例积分调节器PI；电涡流传感器（7）连接至比例调节器P，比例调节器P连接至电流比例积分调节器PI，电流比例积分调节器PI连接至直流PWM变换器，直流PWM变换器连接至励磁绕组（5）；所述运动平台控制系统（9）包括SPWM变换器、位置比例调节器P、速度PI调节器、电流PI调节器和可以产生推力的逆变器；长光栅传感器（8）连接至位置比例调节器P，位置比例调节器P连接至速度PI调节器，速度PI调节器连接至电流PI调节器，电流PI调节器经过坐标变换连接至SPWM变换器，SPWM变换器连接至可以产生推力的逆变器，可以产生推力电流的逆变器与推力绕组（3）连接。

3.根据权利要求1所述的双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台，其特征在于：磁悬浮运动平台直线同步电动机的磁极既是励磁磁极，同时也是悬浮磁极。

4.根据权利要求1所述的双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台，其特征在于：两个直线同步电动机的励磁绕组（5）固定安装在基座（12）下方的定子铁心（4）中，推力绕组（3）安装在动子铁心（2）中随运动平台（1）一起运动。

5.根据权利要求1所述的双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台，其特征在于：运动平台（1）的水平方向运动和垂直方向的磁悬浮运动，都是由基座（12）下面平行安装的两个相同的长定子直线同步电动机共同驱动的。

6.根据权利要求1所述的双直线同步电动机驱动的精密重型机床磁悬浮运动平台，其特征在于：按照运动平台（1）垂直方向的给定悬浮高度，分别自动调节两个直线同步电动机的励磁电流来改变磁悬浮力。