喬昌風(fēng)
大連理工大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 遼寧大連 116600
傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)組成的數(shù)控機(jī)床私服系統(tǒng)包含伺服電機(jī)、軸承、聯(lián)軸器、絲杠及構(gòu)成該系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu),使得其慣性質(zhì)量較大,動態(tài)性能的提高受到了很大的限制。更嚴(yán)重的是這些中間結(jié)構(gòu)在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的彈性變形、摩擦損耗以及難以消除,且隨著使用時間的增加該弊端會越來越突出,造成定位的滯后和非線性誤差,從硬件上嚴(yán)重影響了加工精度。
為了克服傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的缺陷,近幾年永磁直線同步電機(jī)(PMLSM)這種近乎理想的進(jìn)給傳動方式,漸漸取代了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī),得到了快速的發(fā)展。它打破了傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+滾珠絲杠”的傳動方式,實(shí)現(xiàn)了“零傳動”,是通過電磁效應(yīng),將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動,而不需要任何的中間機(jī)構(gòu),消除了轉(zhuǎn)動慣量、彈性形變、反向間隙、摩擦、振動、噪音及磨損等不利因素,極大地提高了伺服系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和控制精度。直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展至今,已經(jīng)可以保證相當(dāng)高的性能水平及更能高的效率和簡便性、穩(wěn)定性,具有傳統(tǒng)驅(qū)動裝置很難達(dá)到的高速度、高精度。表現(xiàn)出了直線電機(jī)取代傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的必然性[1][2][3]。
數(shù)控機(jī)床應(yīng)用直線電機(jī)的優(yōu)勢可簡單的表述為以下幾點(diǎn):
由于系統(tǒng)中規(guī)避了機(jī)械傳動組件,節(jié)省了反應(yīng)時間,通過電器元器件的高動態(tài)響應(yīng)速度,是整個系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度大大提高,電磁傳動的響應(yīng)速度是旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械傳動的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法比擬的,通常前者要比后者小幾個數(shù)量級。
由于取消了機(jī)械傳動組件,減少了傳動機(jī)構(gòu)中的機(jī)械誤差,特別是滾珠絲杠存在的反向間隙所帶來的精度偏差。通過高精度直線位移傳感器件,高精度光柵尺等直線位移傳感器,進(jìn)行位置檢測和反饋控制,大大的提高了伺服精度,其精度誤差可以達(dá)到0.1um。
直線驅(qū)動,提高了傳動剛度,并通過直線電機(jī)在重心軸上的合理位置布局,實(shí)現(xiàn)推力平衡,實(shí)現(xiàn)傳動的穩(wěn)定性,消除了動力不平均和內(nèi)力不穩(wěn)定造成的系統(tǒng)振動等不良狀況。
直線電機(jī)的高速度是其主要優(yōu)勢之一,應(yīng)用與機(jī)床上的直線電機(jī)伺服系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)60m/min~100m/min 或更高的超高速進(jìn)給速度。又因?yàn)槠涓唔憫?yīng)速度,可實(shí)現(xiàn)2g~10g 的加速度。
直線電機(jī)定子架設(shè),可以無限延長定子長度,達(dá)到設(shè)計要求的任何行程長度需要,在行程設(shè)計中,不需要潤滑輔助,使得結(jié)構(gòu)更簡單,設(shè)計實(shí)現(xiàn)更容易。
直線電機(jī)完全消除了傳動結(jié)構(gòu)的機(jī)械摩擦,只需要導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)甚至通過氣墊懸浮或磁懸浮技術(shù)完全消除了整個系統(tǒng)的機(jī)械摩擦,消除了傳動系統(tǒng)中磨損,大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,延長壽命。
本文以放電加工機(jī)床的驅(qū)動部分為平臺,通過對直線電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)的選擇,實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用。因?yàn)橹本€電機(jī)的種類和生產(chǎn)廠家很多,各種型號的產(chǎn)品的應(yīng)用范圍,適用對象都有所不同,其參數(shù)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)有很大的區(qū)別,特別是根據(jù)機(jī)床所要求的加工工藝來計算切削力,需要對直線電機(jī)的動力進(jìn)行分析,所以對直線電機(jī)的適用是否合理和準(zhǔn)確是非常重要的。本文介紹了MV1200 系列放電加工機(jī)床的圓筒型直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的完成過程,對直線電機(jī)的型號選擇,電機(jī)的工作參數(shù)校驗(yàn)和精度控制等方面進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。
圖1
圓筒型直線電機(jī)是以旋轉(zhuǎn)電機(jī)為基礎(chǔ),將旋轉(zhuǎn)電機(jī)以徑向剖開,展平后形成了平板型直線電機(jī),再將其沿著與磁場運(yùn)動方向平行的軸上卷繞一周,成為圓筒型直線電機(jī)的基本模型。如下圖1 所示。該直線電機(jī)的初級等同于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子,而次級等同于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。
圓筒型直線電機(jī)在結(jié)構(gòu)上可以理解為旋轉(zhuǎn)電機(jī)的變通或改進(jìn),并且直線電機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)基本相同,只是在運(yùn)動方式上體現(xiàn)的不同。直線電機(jī)依然遵循電機(jī)學(xué)的一些基本原理。根據(jù)電磁學(xué)基本原理,在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中,將三相對稱的正弦電流施加到三相對稱繞組上,
會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,磁場沿著氣隙圓周呈正弦分布,氣隙磁場的轉(zhuǎn)速或稱為同步轉(zhuǎn)速
其中,f 為供電電源頻率,p 為電機(jī)的極對數(shù)。
如果用v 表示氣隙磁場切向的線速度則有
其中:τ 為電機(jī)的極距。
圓筒型直線電機(jī)的繞組連接與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的繞組形式差別不大,也要求電機(jī)繞組對稱分布,各相相軸相差為120°電角度,并有相同的有效線圈匝數(shù),來保證電動勢對稱。扁平直線電機(jī)和普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)的繞組端部都是無效的部分,對電機(jī)的力矩或推力是無所貢獻(xiàn)的,而圓筒型直線電機(jī)的繞組是卷攏的,該結(jié)構(gòu)取消了電樞繞組段部,使整個繞組看上去是一系列的圓形線圈,簡化了繞組的制造工藝。
在工程應(yīng)用中,各類物理或非物理問題,都可以通過合理假設(shè)的數(shù)學(xué)模型來描述,然后在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際問題的理論分析和科學(xué)研究。因此,數(shù)學(xué)模型的建立必須與實(shí)際問題精確的逼近,否則即使采用最巧妙的數(shù)學(xué)處理,其結(jié)果在理論分析中也未必有用。于是,建立完善的數(shù)學(xué)模型乃是解決各類實(shí)際問題的關(guān)鍵。
由于永磁直線電機(jī)是個強(qiáng)耦合、非線性的多變量系統(tǒng),所以在對其分析過程中需要通過矢量控制的坐標(biāo)變換和對動子電流的解耦,分解為勵磁電流和推力電流,實(shí)現(xiàn)對磁通、推力進(jìn)行獨(dú)立的控制。由于其運(yùn)行原理與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)行原理一樣,運(yùn)行的速度、距離和推力與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、角位移和轉(zhuǎn)矩一一對應(yīng),所以可以把永磁同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)上理論應(yīng)用于直線電機(jī)的特性分析過程中。
永磁同步電機(jī)在矢量坐標(biāo)變換過程中需要用到三種坐標(biāo)系:三相定子A-B-C 坐標(biāo)系,兩相定子α -β 坐標(biāo)系,兩相旋轉(zhuǎn)d - q 坐標(biāo)系。三個坐標(biāo)系空間位置如圖2 所示。圖中的θ 為α 軸和d 軸的夾角。
永磁同步電機(jī)的每個物理量需要在不同坐標(biāo)系下進(jìn)行變換,簡化分析后我們可以假設(shè)坐標(biāo)變換遵循以下原則:
1)電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場坐標(biāo)變換前后等效;
圖2
2)兩個系統(tǒng)的電動機(jī)功率坐標(biāo)變換前后不變;
3)忽略溫度和頻率的變化對電機(jī)的影響。
Clark 變換:
Clark 變換的是在正交坐標(biāo)系中表示三相電流描述的定子電流,即A-B-C 坐標(biāo)系與α -β 坐標(biāo)系之間的變換,如圖3 所示, iA、iB、iC三相定子A-B-C 坐標(biāo)系上的表示的定子電流,iα、iβ和是在兩相定子α -β 坐標(biāo)系上表示的定子電流。
則兩者之間的變換公式如下:
Park 變換寫成矩陣形式為:
圖3
Park 逆變換的矩陣形式為:
其中,iα、iβ 為α-β 坐標(biāo)系下的電流;id、i q 為d-q坐標(biāo)系下的電流。
永磁直線電機(jī)是一個非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng),由永磁直線電機(jī)的矢量控制坐標(biāo)變換可知,通過Clark 和Park 變換,可以將A-B-C 軸坐標(biāo)系下的永磁同步直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型變換到d-q 軸坐標(biāo)系,因此,可以得到永磁直線電機(jī)的d-q 軸模型和推力方程如下:
(1)磁鏈方程
(2)電壓方程
(3)推力方程
其中,F(xiàn)e為直線電機(jī)推力;τ 為電機(jī)極距。
(4)運(yùn)動方程
機(jī)床的驅(qū)動系統(tǒng)是機(jī)床的關(guān)鍵組成部分,驅(qū)動系統(tǒng)要根據(jù)機(jī)床的控制形式為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計,主要需要考慮機(jī)床的精度要求,成本規(guī)格,應(yīng)用行業(yè)等因素。本設(shè)計面向?qū)ο鬄檩^高精度要求的慢走絲放電加工機(jī)床,要求定位精度達(dá)到1um 等級,最高進(jìn)給精度0.1um,該機(jī)床的控制類型為全閉環(huán)控制。由于直線電機(jī)自身不配備類似于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的編碼器等位置測量元件,所以該機(jī)床配備了XST420 圓筒型直線電機(jī),光柵尺安裝在進(jìn)給系統(tǒng)導(dǎo)向旁邊的床身和滑板上,用檢測軸移動方向的機(jī)械位置,并將位置信息反饋給機(jī)床的PC 控制中心進(jìn)行分析和伺服精度輔正處理??刂葡到y(tǒng)為以windows XP 系統(tǒng)為基礎(chǔ)的日本三菱數(shù)控系統(tǒng)。
根據(jù)機(jī)床的設(shè)計要求,在選擇電機(jī)類型時,應(yīng)在滿足主要技術(shù)性能的前提下,考慮直線電機(jī)的綜合參數(shù)。直線電機(jī)的主要參數(shù)為最大推力和最高速度。在選擇直線電機(jī)的推力參數(shù)時要滿足機(jī)床的推力要求。在實(shí)驗(yàn)階段如果出現(xiàn)工作臺運(yùn)行不穩(wěn)定,震蕩等異常狀況時,往往是因?yàn)殡姍C(jī)推力低于機(jī)床的推力要求,不能正常工作。如果超出推力要求太大,也是對電機(jī)性能的浪費(fèi)。本試驗(yàn)機(jī)采用的直線電機(jī)其參數(shù)如下:
額定推力208.5N 以上
額定電流 2.17A 以上
推力參數(shù)Kf:96.1N/A
電阻值:10.7 歐姆
感應(yīng)系數(shù):U-V23.9 U-W26.8 V-W26.8 mH
磁通量:100 加減5%[kmaxwell Turns]
4 電機(jī)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
MV1200 系列數(shù)控機(jī)床的XY 方向進(jìn)給系統(tǒng)采用直線電機(jī)驅(qū)動設(shè)計方式,如圖4:
圖4
圖5
XY 軸工作部分分離,X 軸驅(qū)動加工機(jī)頭,Y 軸驅(qū)動工作臺,實(shí)現(xiàn)XY 方向移動,該設(shè)計方法消除了XY 同時移動時相互之間的干擾,提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性。實(shí)物如圖5 所示:
配合位置傳感器的位置檢測和私服系統(tǒng)的控制,實(shí)驗(yàn)測量器形成內(nèi)雙向位置精度如圖6 所示,為測量值,經(jīng)過精度補(bǔ)正后如圖7,伺服定位精度達(dá)到正負(fù)1um 以內(nèi)。滿足設(shè)計要求。
圖6 補(bǔ)正前
圖7 補(bǔ)正后
通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,作為放電加工機(jī)床的私服驅(qū)動部分,實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化,歸納其優(yōu)點(diǎn)如下:
圓筒型直線電機(jī)無需中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),直接產(chǎn)生直線運(yùn)動,使結(jié)構(gòu)簡化,慣量減少,動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度明顯提高;同時也提高了可靠性,使制造成本和維護(hù)成本大大降低并且更加便捷。
與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比沒有了離心力的束縛,直線運(yùn)動可以達(dá)到比較高的速度。而且初次級間保存間隙,無機(jī)械接觸,從而避免了摩擦噪聲,從而提高整體效率。
初級繞組是餅式結(jié)構(gòu),取消了端部繞組,繞組利用率顯著提高。
圓筒型直線電機(jī)橫向無開斷,避免了由于橫向開斷造成的邊界處磁場的削弱,使磁場沿周向均勻分布。
徑向拉力方向相反,互相抵消,基本消除了單邊磁拉力對運(yùn)動平衡的影響。
調(diào)節(jié)電壓或頻率,可以實(shí)現(xiàn)速度、推力的調(diào)節(jié),適于低速往復(fù)運(yùn)行場合的應(yīng)用。
直線電機(jī)的初級鐵芯可以用不同的密封材料密封防護(hù),可以實(shí)現(xiàn)較好的防腐、防潮,在潮濕、粉塵或有腐蝕性氣體的環(huán)境中使用;具有很好的穩(wěn)定性。
直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的加速度,與傳統(tǒng)絲杠、同步帶或齒輪齒條驅(qū)動系統(tǒng)相比較,是一個顯著優(yōu)勢。
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