直线电机驱动系统及应用
2023-02-07
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第l9卷第4期 洛阳理工学院学报(自然科学版) V01.19 NO.4 2009年l2月 Journal of Luoyang Institute of Science and Technology(Natural Science Edition) Dec.2009 直线电机驱动系统及应用 杜志强,黄桂琴,朱德荣,党保华 (洛阳理工学院机电工程系,河南洛阳471023) 摘要:直线电机直接驱动系统具有结构简单、动态响应快、控制精度高等一系列优点,是理想的直线进给传动 方式。叙述了直线电机驱动系统的研究现状、特点及驱动控制技术,直线电机驱动系统在精密运动控制领域的应 用,尤其是在数控装备、半导体工业和纳米制造业以及城市轨道交通等方面的应用,并对其发展趋势方向进行了 展望. 关键词:直线电机;直线电机驱动系统;控制技术;精密运动控制 Dol:10.3969/i.issn.1674-5043.2009.40.010 中图分类号:TM359.4 文献标志码:A 文章编号:1674-5043(2009)04-0035-04 直线电机直接驱动系统是一种理想的进给传动方式,将电能直接转换成直线运动机械能,而不需要 任何中间转换机构,消除了传统机械传动链中间传动环节所带来的一系列不良影响r如大的转动惯量、弹 性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损等),极大地提高了进给系统的快速反应能力和 控制精度,具有广阔的应用前景¨ 。 直线电机发展最早可追溯 ̄1840年慧斯登(Wheatstone)开始提出和制作的略具雏形但并不成功的直线 电机Hl。从那时至今,在近170年的发展历史中,直线电机经历了探索实验、开发应用和实用商品化三个 阶段。直线电机驱动系统发展与推广应用较慢的原因是和驱动控制技术密不可分的,2O世纪9O年代以 来,随着电机技术、计算机应用技术、自动控制技术、微电子技术、电力电子技术的快速发展,直线电 机在高速、高精直线驱动系统中的研究与应用受到了各国学者的重视,直线电机及其控制技术进入了一 个新的发展阶段。 目前,在国外,直线电机驱动系统的研究和应用正处于发展阶段。美国的Anorad公司是国际上最大 的直线电机供应商之一,从20世纪80年代初开始研制直线电机,主导产品是正弦波永磁交流直线电机和 方波无刷直流直线电机。美国的Danaher Motion公司是世界上著名的工业运动控制厂家,提供的动子无 铁心结构永磁式直线伺服电机,具有极高的动态性能。德国Siemens公司的永磁式直线同步电机适用于高 速铣床、超精密车床、磨床、激光车床等。此外还有德国的Indramat、Trumpf公司以及日本的Sanyo、 Sodick和Fanuc公司等。在国内,直线电机驱动系统的研究和应用尚处于起步阶段。一些高等院校和科研 院所,如浙江大学、沈阳工业大学、清华大学、广东工业大学、国防科技大学、华中科技大学和河南理 工大学等都在开展直线电机及其相关基础技术的研究。 1直线电机驱动系统的特点 直线电机驱动系统的特点在于直接产生直线运动,与间接产生直线运动的“旋转电动机+滚动丝杠” 相比,其优点是 J: (1)没有机械连接,传动力是在气隙磁场中产生的,除了导轨外没有其它摩擦。 (2)结构简单,体积小,以较少的零部件数量实现直线驱动。 (3)行程在理论上不受限制,而且性能不会因为行程的改变而受到影响。 (4)可以提供很宽的速度范围,从每秒几微米到数米,高速是其一个突出的优点。 (5)具有很好的加、减速性能和较高的动态响应能力。 (6)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。 (7)控制精度和重复精度高,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, 配以合适的反馈装置可达到较高的控制精度。 收稿日期:2009-11-16 作者简介:杜志 ̄(1965-),男,河南省浚县人,博士,副教授,主要从事直线电机计算机控制技术研究. 36 洛阳理工学院学报(自然科学版) 第19卷 (8)维护简单,由于部件少,运动传动时无机械接触,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。 当然,直线电机驱动系统也存在一些缺点: (1)直线电动机端部磁场的畸变影响到行波磁场的完整性,使直线电动机损耗增加,推力减小,而 且存在较大的推力波动,即直线电动机特有的“端部效应”。 (2)直线电动机的控制难度大,因为在电动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r如摩擦力等),包括端部效应都直接作用到电动机上,没有任何缓冲或削弱环 节,如果控制系统的稳定性不好,会造成系统的失稳和性能的下降。 (3)其他缺点包括安装困难、需要隔磁等。 2直线电机驱动控制技术 直线电机驱动系统主要由直线电机、驱动器和检测装置组成,以闭环反馈控制来实现运动方式的控制。 直线电机直接驱动负载,与旋转电机相对应,按机种可分为直线感应电动机、直线同步电动机、直 线直流电动机和其它直线电动机(如直线步进电机、直线振荡电机、直线超声波电机、直线开关磁阻电机) 等【6 J。各种类型的直线电机适用于不同的应用领域和工作场合。特别是直线永磁电动机利用高能永磁体 (如钕铁硼),具有推力强度高、损耗低、电气时间常数小、响应速度快等特点,具有很好的应用前景。 驱动控制技术是直线电动驱动系统应用研究的重点和难点,驱动器和控制策略是直线电机实现精密 控制必须考虑的关键技术问题。驱动器主要用来实现电能转换,将一种频率、电压、波形的电能变换为 另一种频率、电压、波形的电能,从而实现对直线电机的有效控制。电力电子功率器件的不断进步,为 直线电机驱动控制系统的完善提供了物质保证。电力电子功率器件经历了从半控(只能控制“开”不能控 制“关”1到全控阶段,从电流控制到电压控制r场控),从几kHz ̄1]500 kHz以上的开关频率的变化,而电 动机的控制也相应地从相控变流转变到脉宽调制和变频技术。尤其是新的可关断器件,如双极结型晶体 管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的实用化,使得高频 化PWM技术成为可能。新的智能功率模块(IPM--Intelli ̄ent Power Module),将多个(或单个1功率器件组 成半桥或全桥,并集成了快速恢复二极管、栅极f或基极)驱动电路、保护电路等,使电机的驱动走向了集 成化n¨”。以电机专用微处理器控制芯片(DSP--Digital Signal Processor)为核心构成的驱动系统代表着当 今电机数字控制的主流方向,为实现电机的全数字复杂控制算法和实时控制提供了较好的硬件平台 。 3直线电机驱动系统的应用 3.1直线电机驱动系统在精密运动控制领域的应用 近十多年来,随着高速加工技术、精密制造技术和数控技术等先进制造技术的发展,高速、高效、 高精成为当前数控设备的发展方向,对设备各功能部件的性能也提出了更高的要求I1 l。对于高响应、微 进给的高精度加工场合,要求进给驱动部件具有快的进给速度、高的定位精度以及高的动态响应性能, 高速、高效、高精的直线电机驱动系统有着越来越广泛的需求,如数控机床、半导体行业以及纳米制造 精密检测仪器等领域¨ " 。 永磁直线直流电机具有良好的静、动态性能和控制特性,与闭环控制系统结合在一起,可实现精密的位 置伺服控制¨ 91。因此,在许多短行程、高精度、高频往复运动的特殊应用场合,采用高响应直线直流电机直 接驱动系统可充分发挥其响应快、精度高的特点,实现工件的精密或超精密加工,如中凸变椭圆活塞的车削 加工、凸轮的车削加工、波瓣形轴承外环滚道的磨削加工以及振镜式激光扫描系统拉 卅等。 永磁直线同步电动机具有时间常数小、动态响应特性好、推力强度高、损耗低等一系列特点,特别 适合在高速、超高速、高加速度和生产批量大、要求定位的运动精度高、速度大小和方向频繁变化的场 合 I。自1993年德国Ex.Cel1 O公司研发出世界上第一台直线电机驱动工作台的加工中心以来,直线电 机已在不同种类的高性能机床上得到应用。如美国的Ingersoll公司在20世纪9O年代研制成功的HVM800 ̄H 工中心,其三个坐标轴上采用了美国Anorad公司生产的永磁式直线电机,进给速度高达76.2 m/min,加 速度a=l~1.5g,直线电机在高速加工中心上的成功应用,轰动了国际机床界。德国Siemens公司的IFN3系列 第4期 杜志强等直线电机驱动系统及应用 37 直线电机最大移动速度可达253 m/min,最大推力可达20 700 N,连续推力8 100 N(水冷),其直线电机产品已 在不同种类的机床上得到应用。日本Sodick公司的新一代高性能CNC电加工机床装配直线电机的AO系列电火 花成形机和线切割机,可在0.000 1 mm控制当量的条件下将轴的运动速度提高 ̄1J36 m/airn,最大加速度达到 1.2 g。中国台湾的Hivin公司LMS、LMCtJx推力伺服直线电动机,最大速度可达210 m/min,在半导体业 中的得到了较好应用。北京机电院高技术股份公司研制了我国第一台采用直线电机驱动的加工中心 (VS1250立式加工中心),该机床采用Simens公司的1FN1型直线电机和840D数控系统,x、Y轴进给速度 可达62 m/min,加速度可达1 g,主轴最高转速15 000 r/min。此外,直线电机驱动系统还在虚拟轴机床上 得到应用,最具代表性是瑞士苏黎世联邦工大(ETHZ)机床和制造工艺研究所研制的由六台永磁直线同步 精密伺服控制电机驱动的六滑块六杆并联机床忙 。 直线超声电机是国外2O世纪80年代初开发出来的一种新型直线驱动装置,能直接产生直线运动和直 接输出推力。国内对直线型超声电机的研究始于2O世纪90年代,由于直线超声电机动态响应高,驱动系 统可实现较高位置控制精度,可达微米级,甚至纳米级,已成为当前直线驱动系统的一个研究热点。韩 国学者研制的应用于高速高精定位系统的直线型超声电机驱动系统纳米定位装置分辨率为20 ilm,最大开 环响应速度可达300 mm/sp 。南京航空航天大学精密驱动研究所研制的高速大推力直线型超声电机在预 压力为7O N时,空载速度0.75 m/s,最大推力可达16 Np 。直线超声电机驱动系统在半导体制造业、信息 产业、精密仪器以及航空航天等领域具有较好的应用前景。 3.2直线电机驱动系统在其它行业的应用 直线电机驱动系统在交通运输行业的应用是交通技术发展上的重大突破。直线电机地铁系统采用直 线感应电机牵引,不仅具有良好的经济效益,而且技术先进、安全可靠、绿色环保。直线电机地铁系统 目前已经在加拿大、日本、美国、马来西亚4个国家的9个城市投入使用,国内广州地铁4、5、6、7、99 线也正在筹划之中p 。磁悬浮列车是直线电机技术与悬浮技术、多级计算机闭环控制技术、现代通讯技术 以及现代交流调速技术相结合的研究成果,它的速度可介于常规火车和喷气式飞机之间。上海磁悬浮列 车是世界第一条“常导型”磁悬浮列车示范运营线,时速为430 km/h。 在采矿行业中如:直线电机驱动装置有起重吊车、斜巷运输、自动搬运装置、直线电机传送车、电 磁锤、磁性选矿机以及直线电机抽油机等p 。 在建材行业如:浮法玻璃生产中,推动锡槽中的锡液按照需要的方向和速度进行运动的直线电机驱 动系统 。 在物料输送行业如:邮政传输系统的邮包、印刷品的物流分拣、直线电机驱动的胶带输送机以及物 流传输系统等。 此外直线电机驱动系统还在军事、航天与医疗方面得到了应用。如直线电机驱动的直线电磁发射装 置,航空器斯特林制冷机采用的动圈式直线振荡电机驱动系统p ,医疗器械用的直线电机驱动系统 l。 4结语 直线电机直接驱动系统具有传统进给系统无法比拟的优点和潜力,近十几年得到了较快的发展,其 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Key words:image segmentation;CT;region growing method;mathematical morphology (上接第38页) Linear Motor Drive Systems and Its Applications DU Zhi-qiang,HUANG Gui-qin,ZHU De-rong,DANG Bao-hua (Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471023,China) Abstract:The direct drive system in linear motor has the advantages of simple structure,faster transient response and beRer control capabilities to make it an ideal transmission mode.This paper introduces the studying state for linear motor drive system,its features and drive control technology,also its application in the precision motion control,especially in the ifelds of NC technology and equipment,semiconductor industry,Nano manufacturing and urban rail transit technology.The development trends are also predicted here. Key words:linear motor;linear motor drive system;control technology;precision motion control (上接第54页) Qualitative Analysis oftile Predator-Prey System with Monotone Harvesting Function CUI Gno.hu (School of Mathematics,Physics and Software Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China) Abstract:The objective of this paper is to study the qualitative property of the Holling II predator-prey system with monotone harvesting function by using the applied differential equation theory and bifurcation methods.The analysis of the model’s equilibrium quality has been carried out.The so called”paradox of enrichment”phenomenon has been explained,and the unique existence of the limit cycle has been confirmed. Key words:predator-prey system;equilibrium;limit cycle;dulac function