交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计 下载本文

电磁锤、轻工机械、家电、空气压缩机、半导体生产等。在这个时期,直线电机的应用逐步渗透到机械制造业,最先用在生产线上运送物料,后来应用到机床上,如高频响小行程直线电机被用来推动车床横向刀架,实现非圆截面零件的车削加工。

90年代以后,随着高速加工概念的提出,直线电机开始作为进给系统出现在加工中心中。由于直接驱动进给系统具有传统进给系统无法比拟的优势和潜力,再次成为各国制造业关注的焦点,直线电机作为一种机电系统,将精度要求很高而又笨重的机械部件“转嫁”于复杂的电气控制系统,这一思路符合现代机电技术的发展趋势。

目前国际市场的直线电机产品种类繁多,各有特色,美国的Anorad公司是世界上最著名的直线电机生产商,该公司在1988年就推出了无刷直流直线电机,并获得美国专利,他以永磁式直线电机为主,形成了不同结构不同功率的系列产品(图1.3),广泛应用于各种领域。80年代中、后期,致力于研制以直线电机为驱动的机床进给系统,成为这一领域的先驱者之一。Siemens公司也推出了1FN1、1FN3等大中型推力永磁直线同步电机(图1.4),

图1.3 Anorad公司的直线电机产品

适合于加工中心进给系统的驱动。

图1.4 Siemens公司的永磁直线电机

此外,Kollmorgen公司和德国的Indramat公司也推出了永磁直线电机,并进军制造业精密运动领域。

目前,国内直线电机的发展还处于实验室开发阶段,主要研究力量是大学和科研院所。将直线电机作为机床或加工中心进给系统研究的主要有广东工业大学、沈阳工业大学和清华大学等几所大学。

广东工业大学成立了“超高速加工与机床研究室”,主要研究和开发“超高速电主轴”和“直线电机高速进给单元”。他们研究的是直线感应电机,开发了GD-3型直线电机高速

数控进给单元,额定进给力为2000N,最高进给速度100m/min,定位精度0.004mm,行程为800mm[6]。沈阳工业大学开始对永磁直线同步电机进行研究,并制造了推力为100N的样机。除了样机的研制外,他们研究的另一重点是直线电机的控制算法及伺服系统。

清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所针对高速加工中心进给系统的长行程、高推力永磁直线同步电机进行了研究,现在已经设计出第二代样机,设计额定推力为2800N。本课题研究的是用于该直线电机的全数字交流伺服控制系统,争取开发出具有自主知识产权的应用于高速机床进给系统的永磁直线同步电机伺服控制系统。

目前直线电机直接驱动技术的发展呈现以下趋势:

1.部件模块化:包括初级、次级、控制器、反馈元件、导轨等部件模块化,用户可以根据需要(如推力、行程、精度、价格等)自由组合;

2.性能系列化:由于直接驱动,不像旋转电机那样可以通过减速器的减速比、丝杠螺距等环节调节性能,单一性能的直线电机应用范围比较窄,因此性能的系列化更丰富;

3.结构多样化:直线电机一般直接和被驱动部件连接,为适应不同的安装要求结构必须多样化;

4.控制数字化:直线电机的控制是直接驱动技术的一个难点,全数字控制技术是解决这一难点的有效方案。

世界上第一台在展览会上展出的直线电机驱动工作台的高速加工中心是德国Ex-cell-O公司于1993年在德国汉诺威欧洲机床展览会上展出的XHC240型加工中心,采用的是德国Indramat公司开发的感应式直线电机,各轴的移动速度高达80m/min,加速度可达1g。

图1.5 安装直线进给系统的高速加工中心HVM800