CN1243627C

CN1243627C - 永磁直线同步电机进给装置

Info

Publication number: CN1243627C
Application number: CN 200410024803
Authority: CN
Inventors: 陈子辰; 傅建中; 徐月同; 潘开林; 余佩琼
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: CN1583360A

Abstract

本发明公开了一种永磁直线同步电机进给装置。将电机定子安装在定子底板上，动子底板下面装有电机动子，动子底板与定子底板通过两侧的直线导轨副连接，使定子与动子间保持气隙，在动子底板与定子底板的两侧，分别安装光栅尺和行程开关。电机的每极每相槽数采用分数，动子的最小长度l＝nL₂+λ，当λ≥0.5L₂，则取L₃＝(n+1.5)L₂；当λ≤0.5L₂，则取L₃＝(n+0.5)L₂；其中，n为正整数，λ为小于L₂的任意实数，L₁为电枢绕组槽距，L₂为永磁体极距，L₃为动子长度。本发明采用永磁直线同步电机作为驱动装置，使进给系统的机械机构大为简化，提高了进给系统的运动速度及精度，改善系统的动态响应特性。

Description

永磁直线同步电机进给装置

技术领域

本发明涉及进给装置，尤其涉及一种永磁直线同步电机进给装置。

背景技术

高速、高精密正成为机械加工的重要发展方向。一方面，高速加工不仅极大提高了机械加工生产效率，而且可降低切削力30％以上，尤其径向切削力大幅度减小，同时，95％-98％的切削热被切屑带走，加工零件的热变形小，振荡频率高，工作平稳，有利于提高加工零件的光洁度，从而极大地提高了加工零件的质量及互换性；另一方面，超微细加工及科学实验对精密加工提出了越来越高的要求。实现高速、精密加工的首要条件之一是要有性能优良的机床。为了保证进给量不变，确保零件的加工精度，表面质量和刀具耐用度，进给系统的速度、精度也必须相应提高；同时，进给系统的行程一般比较小，也要求驱动系统具有高的加(减)速度，以缩短启动、变速、停止的过渡时间。

传统的直线进给装置大多数采用旋转电机+滚珠丝杠方式，这种驱动系统需中间环节(如联轴器、滚珠丝杠、螺母等)传动，使其传动系统的刚度降低，启动和制动的能耗都用在克服中间环节的弹性变形上，尤其是细长的滚珠丝杠可使系统的阶次变高，鲁棒性降低。同时，滚珠丝杠的弹性变形是数控机床产生机械震荡的主要根源，中间环节间的正反间隙、摩檫及弹性变形使驱动系统的非线性误差增大。另外，中间环节的存在增加了系统的惯量，使系统的响应速度变慢。因此，进一步提高进给装置响应速度、精度，装置传统进给装置本身有着不可克服的困难。

直线电机直接进给系统不需要任何中间机械传动机构，由直线电机直接提供推力给负载，消除了由这些传动机构引起的消耗及产生的限制，实现了从电机到工作台的“零传动”。永磁直线同步电机(PMLSM)具有推力大、损耗低、电气时间常数小、响应速度快等特点，能提供很高的动态响应速度和加速度(可达10g，g为重力加速度)、极高的刚度、高的定位精度、平滑的无差运动。尤其PMLSM兼有永磁电机和直线电机的双重特点，具有力能指标高、体积小、重量轻且具有发电制动功能，与其他高速精密进给系统相比，PMLSM进给系统具有较大的优越性。

然而，高速精密PMLSM进给系统仍然具有局限性：(1)PMLSM开路磁场引起边端效应，设计不当，会产生较大边端力；(2)PMLSM极数很多，极距相对较小，每极每相槽数q就不可能很大，否则总槽数过多，使制造工艺发生困难。若q取较小整数，总槽数可以较少，但却不能充分利用绕组分布的办法来削弱由非正弦波分布的磁场的谐波分量，此外，q较小时齿谐波次数较低而数值较大，产生较大推力波动；(3)PMLSM在运行时会产生较大的法向吸力，从而产生额外摩擦阻力。这些推力波动是产生进给系统振动与噪音主要原因，恶化其伺服运行特性；尤其应用在要求精密定位的场合，PMLSM进给系统在制动瞬间，这些扰动力的存在会使进给系统偏离目标位置，降低加工精度，甚至使进给系统产生震荡及不稳定，降低电机驱动器电子元器件的工作寿命。因此，要实现PMLSM进给系统高速精密运行，必须在设计及控制方法上克服及抑制这些扰动因素。

发明内容

为了实现高精度、高速度直线进给系统和优化永磁直线同步电机结构，本发明提供一种永磁直线同步电机进给装置。

本发明的技术解决方案如下：它包括直线导轨副滑块、直线导轨、动子底板、永磁直线同步电机动子、永磁直线同步电机定子、光栅尺滑尺、光栅尺定尺、定子底板、永磁直线同步电机动子底板下面与永磁直线同步电机定子对应位置装有永磁直线同步电机动子，动子底板与定子底板两侧通过由直线导轨副滑块和直线导轨组合的直线导轨副相连接，使永磁直线同步电机定子与永磁直线同步电机动子间保持气隙，在动子底板与定子底板的一侧分别安装光栅尺滑尺及光栅尺定尺。永磁直线同步电机定子通过隔磁铝板安装在定子底板上面中间位置，在动子底板与定子底板的另一侧分别安装行程开关挡块及行程开关，永磁直线同步电机的动子每极每相槽数q不采用整数，而采用分数，即L₁＜L₂，采用分数槽的结构，L₂-永磁直线同步电机电枢绕组槽距，L₂-永磁体极距。

永磁直线同步电机动子的最小长度l＝nL₂+λ，当λ≥0.5L₂，则取L₃＝(n+1.5)L₂；当λ≤0.5L₂，则取L₃＝(n+0.5)L₂；式中，n为正整数，λ为小于L₂的任意实数，L₃-永磁直线同步电机动子长度。

PMLSM为短初级平板型，由动子(初级)、定子(NdFeB永磁体)组成。PMLSM动子安装在动子底板中间位置，PMLSM定子通过隔磁铝板安装在定子底板上与动子相对应位置，动子底板与定子底板通过电机两侧的线性导轨副相连接，并使电机的定子与动子间保持一定的气隙；在定子底板上与动子底板的一侧分别安装光栅尺的滑尺及定尺，为进给装置的控制系统提供位置反馈；在另一侧分别安装行程开关及挡块，增加系统的安全性。当PMLSM动子的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，将产生沿直线运动气隙磁场，这个磁场与永磁体的励磁磁场相互作用产生电磁推力，由于永磁体固定不动，电机动子通过线性导轨副沿行波磁场运动的相反方向作直线运动，其运动速度为同步转速，实现高速、精密直线进给系统。

本发明具有的有益的效果是：

为了实现高精度、高速度直线进给系统，本发明采用PMLSM作为直线运动的驱动装置，不仅使进给系统的机械机构大为简化，而且极大地提高了进给系统的运动速度及精度，改善系统的动态响应特性，并从机电一体化设计思想出发，综合考虑了与运动精度相关的优化设计、扰动补偿、控制策略、在线检测及误差补偿等各项技术，弥补或减少PMLSM进给系统的缺陷。实现了微米级定位精度，亚微米级重复定位精度，最大进给速度达1m/s，行程可根据设计指标增加或减少永磁体块，不受限制，为解决高速、精度直线运动机构提供了一种装置。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图；

图2是永磁直线同步电机结构A-A剖视图。

图中：1-行程开关挡块，2-直线导轨副滑块，3-直线导轨，4-动子底板，5-PMLSM动子(初级)，6-PMLSM定子(NdFeB永磁体)，7-隔磁铝板，8-楔形压块，9-光栅尺滑尺，10-光栅尺定尺，11-定子底板，12-行程开关，L₁-PMLSM电枢绕组槽距，L₂-永磁体极距，L₃-PMLSM动子长度。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括行程开关挡块1、直线导轨副滑块2、直线导轨3、动子底板4、永磁直线同步电机动子5、永磁直线同步电机定子6、隔磁铝板7、光栅尺滑尺9、光栅尺定尺10、定子底板11、行程开关12。永磁直线同步电机定子6通过隔磁铝板7安装在定子底板11上面中间位置，永磁直线同步电机动子底板4下面与永磁直线同步电机定子6对应位置装有永磁直线同步电机动子5，动子底板4与定子底板11两侧通过由直线导轨副滑块2和直线导轨3组合的直线导轨副相连接，使永磁直线同步电机定子6与永磁直线同步电机动子5间保持气隙，直线导轨3用楔形压块8压紧，在动子底板4与定子底板11的一侧分别安装光栅尺滑尺9及光栅尺定尺10，另一侧分别安装行程开关挡块1及行程开关12。

如图2所示，首先考虑PMLSM边端力优化设计，边端力是有限长度的PMLSM动子在开路磁场中受到的推力，因而边端力是动子长度的函数，优化电机的长度使边端力最小对提高运动精度有着积极意义。当PMLSM动子长度为2～3倍极距L₂以上时，两端之间基本上无相互影响，因而可以看成是两个半无限长的动子铁心单端受力的合成结果，两单端受力性质、条件、幅值完全一样，但由于边端磁场分布不均匀，双端受力方向相反，规定右端力为正，则左端力始终为负，同时存在相位差，相位差取决于PMLSM动子长度，同时，PMLSM动子在不同的位置受到的边端力不一样，是极距的周期函数。因此，合成的边端力的主要成分为基波分量，消除基波分量能极大地减少PMLSM边端力。根据以上所述，当L₃＝(n+0.5)L₂，其中n为正整数，即能完全消除基波分量，极大地减少PMLSM边端力。本发明具体优化过程：根据力能指标算出PMLSM动子的最小长度l＝nL₂+λ，如λ≥0.5L₂，则取L₃＝(n+1.5)L₂；如λ≤0.5L₂，则取L₃＝(n+0.5)L₂。这样，即能保证设计指标，又能极大地减少边端力。同时，采用有限元对优化后的PMLSM原型进行边端力建模与分析，求解电磁场后，采用麦克斯韦张量法求出边端力，获得PMLSM边端力的傅里叶级数拟合公式，并进行在线补偿，提高了进给系统的运动性能。

其次考虑了由PMLSM高次谐波引起的推力波动。如图2所示，PMLSM极数很多，极距L₂相对较小，若q取较小整数，不能充分利用绕组分布的办法来削弱由非正弦波分布的磁场的谐波分量，且使电机制造困难。本发明设计的PMLSM的每极每相槽数q不采用整数，而采用分数，即L₁＜L₂。采用分数槽的机构，不仅解决了制造上的困难，而且较大地减少了由高次谐波引起的推力波动。例如，有一台L₁＝14.67mm，L₂＝16mm，绕组总槽数为24槽的PMLSM，采用有限元方法分析其电磁场，运用虚功原理计算由高次谐波引起的推力，计算结果表明，采用这种结构后，由高次谐波引起的推力波动幅值为0.22N，而采用L₁＝L₂＝16mm结构的PMLSM的推力波动幅值达到20.5N。可见，采用这种分数槽结构有效地减少了推力波动。并通过PMLSM动子铁心周期延拓，采用有限元方法分析电磁场，运用虚功原理可以计算由高次谐波引起的推力，利用拟合的推力公式进行在线补偿，提高PMLSM进给装置的运动精度。

第三采用了滑动摩擦力补偿措施。PMLSM进给系统的滑动摩擦力包括两部分：由PMLSM动子及工件质量产生的摩擦力及通电后，PMLSM动子、定子间的法向吸力引起的摩擦力。PMLSM的法向吸力比电机产生的电磁推力大的多，如果不进行补偿，将引起进给系统运动性能下降，如速度波动增大，定位精度下降等。本发明采用有限元对PMLSM的磁矢势进行分析计算，然后应用后处理程序计算其电磁场分布和法向力，得到法向力与交轴电流的相应关系，并在控制过程中，对滑动摩擦力进行在线补偿，基本上消除了由滑动摩擦力引起的速度波动，提高了PMLSM进给系统的跟踪精度。

第四考虑了其余扰动力的补偿问题。PMLSM进给系统水平力除了电磁推力、摩擦力、PMLSM固有的推力波动外，还受到负载扰动(如切削力等)、工件质量变化引起的扰动、电器元件因温度变化引起的扰动等影响。为了抑制这些扰动的影响，本发明采用扰动力观察器进行补偿措施，实时消除或减少这些扰动引起的运动性能变化，提高机械进给质量。

为了满足工作现场复杂环境及各种应用场合，本发明设计了不同控制策略，既有传统的pid控制策略、鲁棒极点配置，又设计了对模型摄动具有鲁棒稳定性及抗扰动的H∞控制策略及鲁棒精密非线性控制策略。根据不同的工作状况，各种控制策略可以相互切换，因此，本发明使用方便，应用场合广。

此外，为了控制系统需要及精密控制位移量，在PMLSM进给装置安装了对电磁场不敏感的光栅尺。控制系统利用光栅尺的位置量进行实时控制，保证进给系统的跟踪误差及速度平稳，提高工件的加工精度及质量。同时，为提高PMLSM进给系统的定位精度，满足微细加工及精密定位要求，采用纳米级的激光干涉仪进行逐点对比测量，并进行自适应拟合及软件补偿，实现了微米级定位精度，亚微米级重复定位精度。同时，为了提高进给系统的安全性，不仅在软件上设置位置极限开关，而且在PMLSM进给装置上安装物理行程开关，确保工作人员及财产安全。

Claims

1、一种永磁直线同步电机进给装置，包括直线导轨副滑块(2)、直线导轨(3)、动子底板(4)、永磁直线同步电机动子(5)、永磁直线同步电机定子(6)、光栅尺滑尺(9)、光栅尺定尺(10)、定子底板(11)；永磁直线同步电机动子底板(4)下面与永磁直线同步电机定子(6)对应位置装有永磁直线同步电机动子(5)，动子底板(4)与定子底板(11)两侧通过由直线导轨副滑块(2)和直线导轨(3)组合的直线导轨副相连接，使永磁直线同步电机定子(6)与永磁直线同步电机动子(5)间保持气隙，在动子底板(4)与定子底板(11)的一侧分别安装光栅尺滑尺(9)及光栅尺定尺(10)，其特征在于：永磁直线同步电机定子(6)通过隔磁铝板(7)安装在定子底板(11)上面中间位置，在动子底板(4)与定子底板(11)的另一侧分别安装行程开关挡块(1)及行程开关(12)，永磁直线同步电机的动子每极每相槽数q不采用整数，而采用分数，即L₁＜L₂，采用分数槽的结构，L₁-永磁直线同步电机电枢绕组槽距，L₂-永磁体极距。

2、根据权利要求1所述的一种永磁直线同步电机进给装置，其特征在于：永磁直线同步电机动子的最小长度l＝nL₂+λ，当λ≥0.5L₂，则取L₃＝(n+1.5)L₂；当λ≤0.5L₂，则取L₃＝(n+0.5)L₂；式中，n为正整数，λ为小于L₂的任意实数，L₃-永磁直线同步电机动子长度。