一種基于開關(guān)磁阻直線電機的X - Y工作臺設(shè)計與實現(xiàn) - 圖文-

1、微電機2009年第42卷第5期中圖分類號:T M352T M35914文獻標志碼:A 文章編號:100126848(20090520006203一種基于開關(guān)磁阻直線電機的X -Y 工作臺設(shè)計與實現(xiàn)潘劍飛,曹廣忠,王鑫(深圳大學機電與控制工程學院,深圳518060摘要:基于開關(guān)磁阻直線電機原理構(gòu)建的直接驅(qū)動式X -Y 工作臺具有制造成本低、結(jié)構(gòu)簡單及可靠性高等優(yōu)點。有限元分析結(jié)果表明,工作臺中的電機各相不存在互感效應,因此可以單獨進行控制。實驗結(jié)果表明,以該工作臺構(gòu)成的位置控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應特性,有一定應用前景。關(guān)鍵詞:開關(guān)磁阻電機;直線電機;直接驅(qū)動;有限元分析;實驗D esi gn

2、and I m ple m en t a ti on of a L i n ear Sw itched Reluct ance M otor Ba sed on X -Y TableP AN J ian 2fei,CAO Guang 2zhong,WANG Xin(School of Mechatr onics and Contr ol Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China Abstract:I n this paper,a novel X 2Y table based on linear s witched relucta

3、nce mot or p rinci p le was p r o 2posed .The direct 2drive X 2Y table had the characteristics of l ow cost,si m p le mechanical structure andhigh reliability .Finite ele ment analysis (FE A p r oved that the phases bet w een any of the linear mot orsof the X 2Y table were decoup led and each phase

4、could be contr olled independently .Experi m ental resultsveriy that the moti on contr ol syste m based on X -Y table has good dyna m ic characteristics .Key W ords:S witched reluctance mot or;L inear mot or;D irect 2drive;FE A;Experi m ent收稿日期:2008210231基金項目:廣東省自然科學基金項目(2008225國家“八六三”計劃項目(2006AA040

5、105廣東省產(chǎn)學研結(jié)合項目(2007B0904000560引言在先進的加工與制造工業(yè)中,如機械加工、電子產(chǎn)品生產(chǎn)、自動化儀表設(shè)備制造,均離不開高速、高精度的二維運動控制機構(gòu)。目前工業(yè)上普遍采用旋轉(zhuǎn)電機配合機械傳動裝置如齒輪或絲桿等來實現(xiàn)直線運動;兩種直線運動在相互垂直的方向上疊加,形成二維運動,即X -Y 工作臺。由直接驅(qū)動式概念構(gòu)建的直線電機按原理可以劃分為直線直流電機、直線感應電機、直線永磁電機及直線開關(guān)磁阻電機等。直線直流電機由于直流電機本身的特點,壽命短、須經(jīng)常維護。直線感應電機的運行原理與旋轉(zhuǎn)式感應電機原理相似,電機結(jié)構(gòu)簡單,具有較強的機械魯棒性。直線感應電機雖然較難獲得較高的氣隙磁

6、通密度1,但可以利用簡單的次級平面實現(xiàn)較寬運動范圍的直線驅(qū)動。由于復雜的機械特性,直線感應電機很難實現(xiàn)高速和高精度的直線運動,但適用于大負載的直接驅(qū)動場合,如交通運輸中2。直線永磁電機具有性能穩(wěn)定及較寬的調(diào)速范圍,但從加工制造成本來說,由于需要昂貴的稀土永磁材料,成本高,且由于永磁體本身的特點,電機無法在惡劣的環(huán)境中工作。1工作臺設(shè)計與制造隨著大功率開關(guān)器件和電子電路的發(fā)展,開關(guān)磁阻電機越來越受到關(guān)注3,具有機械結(jié)構(gòu)簡單、堅固、工藝簡單、工作可靠、成本低以及適應于在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點。按照線圈纏繞位置對電機的結(jié)構(gòu)進行劃分,直線開關(guān)磁阻電機具有“動子繞線式”及“定子繞線式”兩種結(jié)構(gòu)4。而第一種

7、結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點:(1定子加工制造簡便,無須引入復雜的定子線圈陣列;(2電機厚度及沖程可按實際需要靈活調(diào)整;(3動子及線圈組加工方便。基于“動子繞線式”的直線開關(guān)磁阻電機示意圖如圖1(a 所示。直線電機分為運動平臺和定子平臺兩部分。定子平臺由鋁合金板作為定子基座,從而減輕電機的整體重量且不影響電機的導磁磁6一種基于開關(guān)磁阻直線電機的X-Y工作臺設(shè)計與實現(xiàn)潘劍飛,等路。采用一對高精度線性導軌固定在定子基座的兩側(cè)作為電機移動導向。定子導磁材料采用015mm的硅鋼片疊加而成,無需任何昂貴的材料如永磁體等。定子采用兩條鋁質(zhì)夾桿配合螺絲將硅鋼片疊片固定在定子基座上。移動平臺由3個動子塊和繞線線圈構(gòu)成。為

8、了增加機械穩(wěn)固性,尤其是克服通電后移動平臺的機械變形,在動子塊兩側(cè)采用“L”形機械緊固件將動子塊緊密固定在動子移動板上。固定在動子平臺上的直線傳感器(光柵尺實時檢測動子和定子的相對位置,并將信息反饋給控制系統(tǒng)。電機包含3個線圈。與“6/4”旋轉(zhuǎn)開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)相似,線圈直接相隔120的電角度,即動子塊之間相差10mm,該動子結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點: (1各自相互獨立的動子槽和線圈簡化繞線方式降低生產(chǎn)動子移動平臺的成本;(2磁通解耦式的線圈安排實現(xiàn)零互感;(3可以通過調(diào)整機械支撐部件而簡便實現(xiàn)長距離運動范圍。圖1直線開關(guān)磁阻電機和相應X-Y工作臺X-Y工作臺的構(gòu)建是將兩個上述的直線開關(guān)磁阻電機在相互垂

9、直的方向上疊加,即構(gòu)成二維運動系統(tǒng),如圖1(b所示。由于X平臺運行時帶動Y平臺一起運動,因此X工作平臺具有較寬的動、定子齒結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生較大的推力。表1為X-Y工作臺的機械和電氣參數(shù)。表1工作臺參數(shù)X運動平臺質(zhì)量(不含Y平臺/kg218Y運動平臺質(zhì)量/kg115X運動平臺沖程/mm170Y運動平臺沖程/mm120X運動平臺厚度/mm50續(xù)表Y運動平臺厚度/mm24X運動平臺氣隙/mm013Y運動平臺氣隙/mm012極距/mm12齒距/mm6直線電機光編碼器分辨率/m12工作臺數(shù)學模型由于X-Y工作臺在X和Y方向上是相互解耦的,因此對任何一個方向,直線開關(guān)磁阻電機的電壓平衡方程可表示為:V k=

10、R k i k+9k(i k,x9xd xd t+9k(i k,x9i kd i kd t(1式中,Vk、ik和Rk分別為線圈兩端電壓、流過線圈的電流和電阻;x(t和k分別為位置和對應的總磁鏈。X-Y工作臺任一方向的力平衡方程為:f x(yi a,i b,i c,x=ck=a9k(t0k d k(t9x(t=ck=af ki k(t,x(t=M md2x(td t2+B vd x(td t+f l(t(2式中,fx(y是該相產(chǎn)生的電磁力;fl(t為外加負載力;Mm和Bv分別為質(zhì)量及摩擦系數(shù)。對于工作臺的任一方向,相電感表達式可以按傅立葉級數(shù)的形式近似展開:L a=L ls+L o+Lcos(2

11、s x(yp(3 L b=L ls+L o+Lcos(2s x(y-23pp(4 L c=L ls+L o+Lcos(2s x(y-43pp(5式中,Lo=d2N2zp-qp;Ld2N2zqp;L ls是為漏感。3仿真分析采用有限元分析方法對工作臺中的各個電機的電磁特性進行仿真分析,論證電機中任何相與相之間的耦合情況,確定每一相是否可以單獨進行控制,并進一步預測和計算電機的性能如電機出力等。7 311相間互感效應分析采用三維有限元分析方法對電機任意兩相通以一定的電流(DC10A,分析通電時該相的磁場分布,并觀察另外一相受到磁場耦合的情況。結(jié)果表明通電時所在相的磁力線絕大部分在該相的動子、定子以

12、及氣隙間閉合,而相鄰的動子幾乎不存在磁場分布,因此各相之間的互感可以視為零,從而表明工作臺中直線電機的任何一相可以單獨進行控制5。312電機力角特性分析X-Y工作臺直線電機任一相力角特性的有限元計算仿真結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?X工作臺由于具有較大的氣隙和運動平臺重量,出力效果與Y工作臺出力相對較低。圖2一相通電時的力角特性4實驗結(jié)果實驗采用dSP ACE DS1104控制卡作為控制器。它具有250MHz DSP實時運算能力且能夠直接與PC通過PC I總線接口?？刂瓶ň哂?路24位傳感器輸入,6路12位模擬輸入和輸出。實驗中,位置和速度反饋信號由固定在動子上的直線編碼器提供;輸出電壓指令由DA

13、C(數(shù)-模通道輸出,作為電流驅(qū)動器的輸入指令。內(nèi)環(huán)采用10kHz的采樣頻率,外環(huán)2kHz。控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3X-Y工作臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)首先分別對X和Y工作臺直線電機進行位置階躍響應測試,試驗結(jié)果如圖4所示。由于X工作臺運行時帶動Y工作臺整體一起運行,因此位置階躍響應曲線中,X工作臺具有較大超調(diào)量以及較慢的上升響應時間。圖4X-Y工作臺階躍響應X-Y工作臺分別在正弦和余弦位置控制指令輸入下模擬實際運行中做往復運動時的位置響應情況如圖5所示。從圖5可以看出,直線電機的位置控制指令與實際位置響應曲線幾乎是重合的,因此可以說明直線電機在各自的位置指令輸入下具有良好的控制效果。從圖5(c和(

14、d可以看出,X工作臺位置響應的動態(tài)誤差略大于Y工作臺。這是因為X帶動Y工作臺一起運行,具有較大的運動慣量及靜摩擦力。如果兩電機分別輸入正弦和余弦位置控制指令,且具有相等的幅值和相角,則X-Y工作臺在復合指令作用下將進行圓周運動,如圖7(a所示?？梢钥闯鯴-Y工作臺具有較好的圓周指令跟蹤效果。如果兩電機的位置控制指令是完全相同的正弦或余弦曲線,則X-Y工作臺在復合指令作用下將進行直線往復運動,如圖7(b所示?？梢钥闯?X-Y工作臺具有較好的重復運行跟蹤效果。圖6X-Y工作臺位置響應曲線及動態(tài)誤差(下轉(zhuǎn)第34頁8觸發(fā)。if (Xint2Flag =TRUE reset Ctrl (;/Xint1觸

15、發(fā)過熱保護。2測試永磁同步電動機參數(shù)為:額定轉(zhuǎn)矩T n =28mN m;額定電壓220V;額定電流I n =112A;相電阻R =51258;相電感L =0146mH;電氣時間常T e =90ns;反電勢常數(shù)K e =2162V /r/m in;轉(zhuǎn)矩常數(shù)K t =25mN m /A;轉(zhuǎn)動慣量J =91910-7kg m 2;機械時間常數(shù)T m =8s;極對數(shù)P n=2。對此永磁同步電機伺服系統(tǒng)進行了保護測試,其中過流保護采用堵轉(zhuǎn)方式,短路保護采取兩相短接方式,過壓和欠壓保護采用調(diào)整變壓器輸出電壓方式,過熱保護采用減少逆變模塊散熱面積方式。本系統(tǒng)P WM 頻率選取為10kHz,死區(qū)時間為215s

16、 。測試表明,各項保護功能均正常,為伺服系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供了保障。3結(jié)語本文提出了一套伺服控制器保護系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的方案,檢測電路簡單,軟件設(shè)計充分利用了T MS320F2801的強大功能。經(jīng)實際測試,該方案穩(wěn)定可靠,成本低廉且易于實現(xiàn),具有一定應用價值。參考文獻1李永東.交流電機數(shù)字控制M .北京:機械工業(yè)出版社,2002.2郭慶鼎,王成元.交流伺服系統(tǒng)M .北京:機械工業(yè)出版社,1994.作者簡介:林建芬(1982-,男,碩士研究生,從事伺服電機控制系統(tǒng)研究。彭達洲(1972-,男,博士,副教授,從事伺服電機控制系統(tǒng)研究。胥布工(1956-,男,博士生導師、教授,從事控制理論與控制工程領(lǐng)域教學與科研工作。(上接第8頁 圖7X -Y 工作臺跟蹤曲線5結(jié)論基于開關(guān)磁阻電機原理構(gòu)建的“動子繞線式”直接驅(qū)動X -Y 工作臺具有機械結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)固及加工成本低等優(yōu)點。仿真和實驗結(jié)果均表明該X -Y 工作臺具有良好的靜態(tài)和動態(tài)響應特性。預計此類工作臺將逐漸替代目前工業(yè)上昂貴的小型二維精密加工設(shè)備,得到比較廣泛地應用。參考文獻1葉云岳.直線電機原理與應用M .北京:機械工業(yè)出版社,2000.2深圳市地鐵有限公司.深圳地鐵一期工程建設(shè)與管理實踐M .北京:人民交通出版社,2007, 4.3王宏華