CN102611275A - 一种铁芯式永磁同步直线电机固有的波动力标定方法 - Google Patents

Abstract

一种铁芯式永磁同步直线电机固有的波动力标定方法，铁芯式永磁同步直线电机存在两个固有的齿槽力和磁阻力，齿槽力只和电机动子、定子之间的相对位置有关，磁阻力和电机动子、定子间的相对位置、绕组电流有关。本发明通过两组实验给出齿槽力和磁阻力的标定方法。第一组实验中给定该电机动子沿运动轴正方向由D1点运动到D2点的轨迹，按照给定的轨迹完成该电机动子沿运动轴正方向的匀速运动。第二组实验中对该电机动子施加一个沿运动轴方向的大小恒定的外力，并按照第一组实验给定的轨迹完成该电机动子沿运动轴正方向的匀速运动，并分别记录出该两组实验中的控制器输出作用力。根据力平衡条件给出铁芯式永磁同步直线电机固有的波动力的标定方法。

Description

一种铁芯式永磁同步直线电机固有的波动力标定方法

技术领域

本发明涉及一种铁芯式永磁同步直线电机结构引起的固有的波动力的标定方法。

背景技术

铁芯式永磁同步直线电机是一种将电磁能直接转换成直线运动机械能的电磁装置，它具有结构简单、定位精度高、响应速度快等优点，被广泛应用于数控机床、半导体加工装备等现代精密制造领域。

铁芯式永磁同步直线电机的结构产生复杂的非线性的波动力，该固有的波动力包括两个分力：齿槽力和磁阻力，其中齿槽力只和该电机的动子与定子之间的相对位置有关，每一处相对位置都存在一个确定的齿槽力。磁阻力既与该电机的动子与定子之间的相对位置有关，又与绕组线圈电流有关，且该磁阻力正比于绕组线圈电流。该齿槽力和该磁阻力的数学形式都是无穷多项傅立叶级数之和，通过理论方法不容易测得齿槽力和磁阻力的精确值，而且齿槽力还直接改变磁阻力，直接影响到包含该电机的伺服运动系统的位置精度，并会引起速度波动、机械结构振动，甚至造成系统的失稳。因此对于高精度要求的铁芯式永磁同步直线电机，必须对该电机固有的波动力(包括齿槽力和磁阻力)进行标定，以便对该电机的波动力(包括齿槽力和磁阻力)进行补偿。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁芯式永磁同步直线电机的固有的波动力的标定方法。

本发明的技术方案如下：

1)铁芯式永磁同步直线电机固有的波动力包括齿槽力Fc与磁阻力Fz，该两个力的大小具体标定方法如下：首先给定直线电机(100)动子的运动轨迹，采用PID控制方法使电机动子(101)沿Y轴正方向由D1点匀速运动到D2点，D1点与D2点之间的距离为L，记录该运动过程中的控制器输出作用力

2)然后对该直线电机的动子施加一个沿Y轴方向且大小恒定的外力F_a，F_a沿Y轴正方向时为正，F_a沿Y轴负方向时为负；按照步骤1)中同样的运动轨迹，采用PID控制方法完成直线电机(100)动子沿Y轴正方向由D1点匀速运动到D2点，记录该运动过程中的控制器输出作用力由于实验过程中铁芯式永磁同步直线电机(100)动子是匀速运动，因此每组实验中该直线电机动子(101)在沿Y轴运动方向上所受合力为零，即：

$F_p^1=F_c^1+F_z^1,$ $F_p^2=F_c^2+F_z^2+F_a$

其中

-步骤1)中未加外力时，铁芯式永磁同步直线电机动子所受控制器输出力大小；

-步骤1)中未加外力时，铁芯式永磁同步直线电机齿槽力；

-步骤1)中未加外力时，铁芯式永磁同步直线电机磁阻力；

-步骤2)中施加外力时，铁芯式永磁同步直线电机动子所受控制器输出力大小；

-步骤2)中施加外力时，铁芯式永磁同步直线电机齿槽力；

-步骤2)中施加外力时，铁芯式永磁同步直线电机磁阻力；

F_a-步骤2)中施加的外力；

齿槽力只与该直线电机动子与定子之间的相对位置有关，而与动子上线圈中的通过电流无关，两组实验中该直线电机动子运动轨迹完全相同，因此

$F_c^1=F_c^2$

对与的求解中，满足以下条件：

$F_z^1=K\left(x\right)*F_c^1/K_t,$ $F_z^2=K\left(x\right)*(F_c^2+F_a)/K_t;$

其中：

K_t-电机推力常数；

K(x)-该直线电机的动子与定子之间的相对位置有关的未确定的比例系数。

因此求得比例系数K(x)，即：

$K\left(x\right)=K_t\·(F_p^2-F_p^1-F_a)/F_a$

根据求得的比例系数K(x)求出齿槽力F_c，即：

$F_c=F_c^1=F_c^2=F_a\·F_p^1/(F_p^2-F_p^1);$

根据齿槽力Fc求出磁阻力Fz为：

$F_z^1=\frac{(F_p^2-F_p^1-F_a)\·F_p^1}{F_p^2-F_p^1}$

$F_z^2=\frac{(F_p^2-F_p^1-F_a)\·F_p^2}{F_p^2-F_p^1}.$

本发明具有以下优点及突出性效果：

本发明针对铁芯式永磁同步直线电机中由电机结构引起的固有的波动力的数学表达模型为无穷多项傅立叶级数求和，不容易进行理论求解的问题，根据该类电机中固有的波动力的外在表现特征，从一个全新的角度，给出了一种完全基于实验测量的铁芯式永磁同步直线电机中固有的波动力(包括齿槽力和磁阻力)的标定方法，该方法可以精确地标定出该类电机中固有的齿槽力，以及标定出该类电机中固有的磁阻力正比于通电绕组电流且和电机动子与电机定子之间的相对位置相关的比例系数。该方法基于实验测量数据，不需要改变直线电机结构，普遍适用于含有铁芯式永磁同步直线电机的运动系统，具有方法简单、适用面广、容易实现等优点。

附图说明

图1是铁芯式永磁同步直线电机结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1沿A-A面剖视图。

图4是铁芯式永磁同步直线电机推力标定示意图。

图5铁芯式永磁同步直线电机动子运动轨迹。

图6是第一组实验中铁芯式永磁同步直线电机动子沿Y轴方向受力图。

图7是第二组实验中铁芯式永磁同步直线电机动子沿Y轴方向受力图。

图8是本发明方法流程图。

图中：

100-铁芯式永磁同步直线电机；101-定位元件；102-永磁体；103-线圈；104-基座；111a-第一气浮支撑；111b-第二气浮支撑；112a-第三气浮支撑；112b-第四气浮支撑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构和工作过程来进一步说明本发明。

图1为铁芯式永磁同步直线电机100结构示意图，图2为该电机俯视图，图3为该电机沿A-A面剖视图。铁芯式永磁同步直线电机100包括定位元件101、永磁体102、线圈103和基座104。定位元件101沿Z轴方向由第一气浮支撑111a与第二气浮支撑111b支撑，定位元件101沿X轴方向由第三气浮支撑112a与第四气浮支撑112b支撑。永磁体102以Halbach阵列形式布置。线圈103为直线电机100的动子，通电时将产生洛仑兹力，使得定位元件101在洛仑兹力作用下沿Y轴方向运动。

铁芯式永磁同步直线电机在运动方向(Y轴)上具有由电机自身结构引起的固有的波动力，该固有的波动力包括两个分力，齿槽力Fc与磁阻力Fz，其中齿槽力Fc为该电机的动子与定子之间的相对位置的确定函数，每一个相对位置上存在一个齿槽力Fc，磁阻力Fz为该电机的动子与定子之间的相对位置、以及与线圈103中电流的确定函数，在每一个相对位置上有F_i＝K(x)·i，其中i是线圈103中通过的电流，K(x)是该电机的动子与定子之间的相对位置x的确定函数，但齿槽力Fc与磁阻力Fz事先均是未知的。

本发明的目的是通过实验给出齿槽力Fc与磁阻力Fz的具体标定方法，具体步骤如下：

控制框图如图4所示。测量传感器测量该直线电机100动子101的位置，并将测量信号经过A/D转换为数字信号输入给计算机，在计算机中采用PID控制方法计算对该直线电机100施加力，将该力信号经过D/A转换并输入给驱动器，驱动器根据该信号给直线电机线圈组件103施加电流，在洛仑兹力作用下实现该直线电机动子101的运动。

1)、给定直线电机100动子的运动轨迹，采用PID控制方法使电机动子101沿Y轴正方向由D1点匀速运动到D2点，D1点与D2点之间的距离为L；

2)、根据步骤1)中同样的运动轨迹，按照图中的实验装置结构，采用PID控制方法完成直线电机100动子沿Y轴正方向由D1点匀速运动到D2点。记录该运动过程中的控制器输出作用力

3)、对该直线电机的动子施加一个沿Y轴方向且大小恒定的外力F_a，F_a沿Y轴正方向时为正，F_a沿Y轴负方向时为负，根据步骤1)中同样的运动轨迹，按照图中的实验装置结构，完成直线电机100动子沿Y轴正方向由D1点匀速运动到D2点；记录该运动过程中的控制器输出作用力

数据处理方法：

两组实验中铁芯式永磁同步直线电机100动子是匀速运动，因此每组实验中该直线电机动子101在运动方向Y轴上所受合力为零，即：

$F_p^1=F_c^1+F_z^1,$ $F_p^2=F_c^2+F_z^2+F_a$

其中：

-步骤1)中未加外力时，铁芯式永磁同步直线电机动子所受控制器输出力大小；

-步骤1)中未加外力时，铁芯式永磁同步直线电机齿槽力；

-步骤1)中未加外力时，铁芯式永磁同步直线电机磁阻力；

-步骤2)中施加外力时，铁芯式永磁同步直线电机动子所受控制器输出力大小；

-步骤2)中施加外力时，铁芯式永磁同步直线电机齿槽力；

-步骤2)中施加外力时，铁芯式永磁同步直线电机磁阻力；

F_a-步骤2)中施加的外力；

齿槽力F_c只与该直线电机动子与定子之间的相对位置有关，而与动子上线圈中的通过电流无关，两组实验中该直线电机动子运动轨迹完全相同，因此，

$F_c^1=F_c^2$

对

与

的求解中，满足以下条件：

$F_z^1=K\left(x\right)*F_c^1/K_t,$ $F_z^2=K\left(x\right)*(F_c^2+F_a)/K_t,$ 其中：

K_t-电机推力常数。

K(x)-该直线电机的动子与定子之间的相对位置有关的未确定的比例系数。

因此求得比例系数K(x)，即：

$K\left(x\right)=K_t\·(F_p^2-F_p^1-F_a)/F_a$

根据求得的比例系数K(x)求出齿槽力F_c，即：

$F_c=F_c^1=F_c^2=F_a\·F_p^1/(F_p^2-F_p^1).$

根据齿槽力Fc求出磁阻力Fz为：

$F_z^1=\frac{(F_p^2-F_p^1-F_a)\·F_p^1}{F_p^2-F_p^1}$

$F_z^2=\frac{(F_p^2-F_p^1-F_a)\·F_p^2}{F_p^2-F_p^1}.$

Claims (1)

1.一种铁芯式永磁同步直线电机固有的波动力标定方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)铁芯式永磁同步直线电机固有的波动力包括齿槽力Fc与磁阻力Fz，该两个力的大小具体标定方法如下：首先给定直线电机(100)动子的运动轨迹，采用PID控制方法使电机动子(101)沿Y轴正方向由D1点匀速运动到D2点，D1点与D2点之间的距离为L，记录该运动过程中的控制器输出作用力

2)然后对该直线电机的动子施加一个沿Y轴方向且大小恒定的外力F_a，F_a沿Y轴正方向时为正，F_a沿Y轴负方向时为负；按照步骤1)中同样的运动轨迹，采用PID控制方法完成直线电机(100)动子沿Y轴正方向由D1点匀速运动到D2点，记录该运动过程中的控制器输出作用力

由于实验过程中铁芯式永磁同步直线电机(100)动子是匀速运动，因此每组实验中该直线电机动子(101)在沿Y轴运动方向上所受合力为零，即：

$F_p^1=F_c^1+F_z^1,$ $F_p^2=F_c^2+F_z^2+F_a$

其中：

-步骤1)中未加外力时，铁芯式永磁同步直线电机动子所受控制器输出力大小；

-步骤1)中未加外力时，铁芯式永磁同步直线电机齿槽力；

-步骤1)中未加外力时，铁芯式永磁同步直线电机磁阻力；

-步骤2)中施加外力时，铁芯式永磁同步直线电机动子所受控制器输出力大小；

-步骤2)中施加外力时，铁芯式永磁同步直线电机齿槽力；

-步骤2)中施加外力时，铁芯式永磁同步直线电机磁阻力；

F_a-步骤2)中施加的外力；

齿槽力F_c只与该直线电机动子与定子之间的相对位置有关，而与动子上线圈中的通过电流无关，两组实验中该直线电机动子运动轨迹完全相同，因此，

$F_c^1=F_c^2$

对

与

的求解中，满足以下条件：

$F_z^1=K\left(x\right)*F_c^1/K_t,$ $F_z^2=K\left(x\right)*(F_c^2+F_a)/K_t;$ 其中：

K_t-电机推力常数；

K(x)-该直线电机的动子与定子之间的相对位置有关的未确定的比例系数；

因此求得比例系数K(x)，即：

$K\left(x\right)=K_t\·(F_p^2-F_p^1-F_a)/F_a$

根据求得的比例系数K(x)求出齿槽力F_c，即：

$F_c=F_c^1=F_c^2=F_a\·F_p^1/(F_p^2-F_p^1);$

根据齿槽力Fc求出磁阻力Fz为：

$F_z^1=\frac{(F_p^2-F_p^1-F_a)\·F_p^1}{F_p^2-F_p^1}$

$F_z^2=\frac{(F_p^2-F_p^1-F_a)\·F_p^2}{F_p^2-F_p^1}.$

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