永磁同步直线电 机的定位力是指电枢线圈在不通电的 状态下 , 永磁铁产生的磁 场与电 枢铁心 的端部 和齿槽作 用 产生的推力或拉力 , 它总是试图将 铁心 (硅钢片 )固定 在某
一个位置 上 [ 4] 。 定 位 力包 括 端 部 定位 力 和 齿 槽定 位 力 。 与旋转伺服电机相比 , 平板 式永磁 同步直 线电机 初级绕 组 铁心为长度有限的非封闭结构 , 其端部效应较为明显 , 再 加 上铁心开槽所导致的齿槽效应 , 就会产生较大的定位力 , 从 而影响电机的平稳性 。 欲减小 定位力 对电磁推 力的 影响 , 一方面需要从直线电机设计上考虑如何克服或者减 小端部 效应和齿槽效应 , 另一方面 , 需设计一个可以实时补偿的 控 制算法抑止推力波动 [ 5] 。 对 于前者 , 需要 一个测 试系统 来 验证设计时理论分析 的正确 性 ;而 对于后 者则需 要掌握 定 位力的准确变化规律 , 从控制的角度进行有针对性的处理 , 如推力补偿等 。 正是基 于这两 点考虑 , 本文 对永磁 同步 直 线电机定位力的测试技术进行了研究 。
图 1 永磁直线电机定位力测试原理 F ig 1 M easurem ent principle of the detent force of PML SM 图 1所示为电机向左运动时 , 初级的受力情况 。 首先 , 在直线电机不通电的 状态下 , 先使 电机的初 级正向 (向左 ) 匀速运动 , 记录电机初级在每个绝对位置上的力值 , 通过受 力分析 , 向左的测 力示 数和 定位 力 、重物 G 以 及摩 擦力 有
永磁同 步直线电 机定位力测 量时 , 传统上采 用 “弹 簧
收稿日期 :2006 - 05 - 27 *基金项目 :国家 "十五 "科技攻关项目 (2001BA 205B04)
第 10期 周天丰等 :永磁同步 直线电机定位力测试实验研究 35
理论分析结 果 :端部 力 波形 近似 正 弦曲 线 , 其 幅值 为 80N , 波动周期为电机极距 30mm, 齿槽 力相对 定位力 幅值 较小 为 20 N, 周期为 硅钢片 齿距 10mm。 设计 的直线 电机 样机额定推力为 3000N , 按定位力的理论幅值计算 , 电磁力 的波动约为 5. 3%。
秤 +标尺 ”的测量 方法 [ 6] , 即记 录直 线电 机初 级在 各个 位 置上的弹簧秤的示数 。这种方 法简单 , 容易实现 , 但很难准 确反映出短周期内定位力的变 化 , 再加上随定位力的波动 , 电机初级难以固定在各个连续 位置上 , 同时 , 准确读出弹簧 秤上测量的力值和标尺上的位 置值几乎是不可能的 , 因此 , 只能作为一种较为粗略的测量 方法 。本 文提出并设计了一 种能实时准确记录对 应位置上的定位力的测试方法和测试 系统 。 其主要是应用力传感器和光栅位 置传感器分别用来 测试直线电机的定 位力和 初级位置 , 并 通过数 字信号处 理 器 TM S320F 2812DSP 将力传感 器数 据的模 拟信 号数 字化 , 并与光栅位置信号关联起来 。 该测试方 法可以用于各种平 板式直线电机的定位 力的测量 , 测量方便快速 , 误差小 。 1 定位力测试原理
(1. D epartm en t of P rec ision In strum en ts and M echanology, T singhua Un iversity, Be ijin g 100084, Ch ina;
2. C ollege of Eng ineering, Ch ina Agricu ltura lU n iversity, B e ijing 100083, Ch ina)
如下关系
FL (x) = -F (x) +G +f(x) ,
(1)
式中 FL (x)为直线电机初级向 左运动时 对应位 置上力 的
测量值 , N ;F (x)为 各个位 置上的定 位力值 , N;G为 重物 的
重量 ;f(x)为对应位置上的摩擦力 , N 。
再使电机的初级负向 (向右 )匀 速运动 , 记录 电机初 级
为此 , 系统采用往复运动双向测量的方案 , 利用摩擦力 大小相等 、方向相反的 特点加 以抵消 。 为 了保证 直线电 机 初级在运动时不随 定位力 的波动而 左右窜 动 , 在直线电 机 一端挂一重物 G , 以削 弱定位 力波动 对电机 运动 平稳性 的 影响 。 根据测试原理 , 电机向左运动时 , 初级的受力情况如 图 1所示 。
要单独测量出直 线电机的端部定位力或者齿槽力是非 常困难的 。 结合理论 分析结 果 , 设 计出一 种测量 端部定 位 力和齿槽力的合力 的方案 , 即 测量定位 力的方 案 。 实际 测 量中 , 定位力又和摩擦力 是形影 不离 、交织在 一起 的 , 只 要 电机初级和 次级 之间 有相 对运 动 , 摩擦 力就 一 定存 在 , 因 此 , 测试定位力时应尽可能地剔除摩擦力的影响 。
Ab stract: In order to satisfy the sm oothness o f thrust o f flat three-phase pe rm anen t m agnet linea r synchronous m oto r (PM LSM ), factors and regu larity of its end fo rce and slo t force a re ana lyzed through fin ite elem entm e thod. A m ethod to m easure the de tent fo rce in the right and left direction accord ing to rec iprocating movement on the w ho le stroke is in troduced, w hich can e lim inate the e ffec t o f the friction fo rce, and the experim ent is ca rried ou t on an optim ized p ro to type. TM S320F2812 dig ital signa l processo r(D SP) co llec ted the signa l of fo rce-transducer and encoder. A fter ca lcula tion, de tent force as a function o f d isp lacement is acqu ired accura te ly and rap id ly, and the m easurement e rro r can be w ithin 3N. The results of experim ent justify the va lidity o f the ana ly sis m ode l, wh ich is
use fu l for the furthe r design of high perfo rmance servo con tro ller of PM LSM. K ey word s:perm anent m agne t linear synchronous m o to r(PM LSM );end force; slo t force;detent force;d ig ita l signal processor(DSP)
周天丰 1 , 刘成颖1 , 赵 彤 1 , 孙 洁 1 , 林家春 2
(1. 清华大学 精密仪器与机械学系 , 北京 100084; 2. 中国农业大学 工学院 , 北京 100083)
摘 要 :为满足平板式三相交 流永磁同步直线电动机 (PM LSM )推 力平稳性要求 , 利用有限元 方法分析端 部力和齿槽力的形成 原因和波动规律 , 介绍了一种全行程往复运动双向测 量的直线电机定位力的方法 , 可 以克服摩擦 力的影响 , 并在样机上实验完成 。 测试中利 用高性 能数字 信号处 理器 TM S320F 2812DSP 采集 力传感器和光栅信号 , 能较准确 、快速地计算出对应 位置上 的定位 力 , 误 差稳定 在 3N 以内 。 实 验结果与 理论分析基 本一致 , 为高性能直线电机伺服控制器的改进设计提 供了客观数据 。 关键词 :永磁同步直 线电动机 ;端部力 ;齿槽力 ;定位力 ;数字信号处理器 中图分类号 :TM 93 文献标识码 :A 文章编号 : 1000 - 9787(2006)10 - 0034 - 04
在对应位置的力值 , 通过受力分析 , 向右的测力示数和定 位
力 、重物 G 以及摩擦力有如下关系
FR (x) = -F(x) +G - f(x) ,
(2)
式中 FR (x)为直线电机初级向右 运动时对应 位置上力 的
测量值 , N 。
在同一个位置 , 磁钢对铁心的垂直吸引力相同 , 可认 为
摩擦力大小与电 机初级 运动 方向 无关 , 通过 公式 (1)和 公
式G[ FR (x) +FL (x)] /2 .
(3)
2 定位力测试系 统设计
2. 1 定位力测试系统硬件设计
根据上述测试原理 , 设计了定位力测试装置 , 其总体 结
构如图 2所示 。
图 2 永磁直线电机定位力测量装置 F ig 2 M ea surem entm echanism of the detent force of PML SM 图 2的测量装置中 , 旋转 电机和 蜗轮蜗 杆带动 直线 电 机初级作匀速直线运 动 。 进行 定位力 测试时 , 需控 制旋 转 电机转 速 n, 使初级 的直线 运动速 度小于 光栅允 许的最 高 速度 , 保 证能实时读取光 栅位置 和测力传 感器的 数据 。 控 制重物的重量 G约为定位 力幅值的 5倍左 右 , 保 证电机 初 级不随定位力的波动 而左右 窜动 , 而又不 会超出 测力传 感 器的量程 。