一種永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試裝置

蘇煥宇 尹韶輝 諶國(guó)權(quán) 譚銘志

(①湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082;②湖南一派工業(yè)驅(qū)動(dòng)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410100)

直線電動(dòng)機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能的動(dòng)力裝置，而不需要傳統(tǒng)的以鏈條、傳送帶、齒條絲杠或蝸輪蝸桿等中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，它克服了傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)帶來的傳動(dòng)鏈長(zhǎng)、體積大、效率低、響應(yīng)慢和精度低等缺陷，具有很高的加速度，因而極大地提高了進(jìn)給系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和運(yùn)動(dòng)精度［1］。

直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了“零傳動(dòng)”，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)環(huán)節(jié)，實(shí)際上直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍然是一個(gè)復(fù)雜的、多耦合的非線性系統(tǒng)。因此在分析永磁同步直線電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，簡(jiǎn)稱PMSLM)的過程中，直線電動(dòng)機(jī)性能的測(cè)試平臺(tái)是不可或缺的裝備。浙江大學(xué)的徐月同等人采用砝碼利用重力來直接牽引直線電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子通過激光干涉儀測(cè)量位置進(jìn)行反饋，利用電阻應(yīng)變儀測(cè)得拉力［2］。北方交通大學(xué)的楊中平等人采用磁懸浮的方法利用位置傳感器計(jì)算直線電動(dòng)機(jī)的加速度，通過計(jì)算得到直線電動(dòng)機(jī)的推力［3］。廣東工業(yè)大學(xué)和上海交通大學(xué)的高軍禮、肖曙紅和張希給出了一種直線電動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［4］。

本文介紹了自行試制的一種直線電動(dòng)機(jī)的綜合測(cè)試臺(tái)。介紹了測(cè)試臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)原理和功能模塊，以及一種永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的測(cè)試結(jié)果。

1 測(cè)試臺(tái)結(jié)構(gòu)原理框圖

電動(dòng)機(jī)測(cè)試的難點(diǎn)在于直線電動(dòng)機(jī)的牽引、精確位置量和反電動(dòng)勢(shì)等模擬量的獲取，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)備整體機(jī)械結(jié)構(gòu)采用數(shù)控車床ECK2320A機(jī)床底座，分別在原拖板、主軸、尾座位置加裝3套測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分采用直線導(dǎo)軌支撐，開式光柵尺反饋。用兩套拖板共軸對(duì)拖的方法來測(cè)試靜態(tài)波動(dòng)力、額定波動(dòng)力和反電動(dòng)勢(shì)。其中，主動(dòng)拖板為滾珠絲桿拖動(dòng)，從動(dòng)拖板為直線電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，兩拖板之間的聯(lián)接部分可以方便地拆裝。力測(cè)試部分采用止推測(cè)試的方法，以直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)拖板推力傳感器。電氣控制部分集成在電氣控制柜中。

表1 力常數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)

該測(cè)試裝置采用如下配置:以一臺(tái)工業(yè)PC機(jī)為控制平臺(tái)，內(nèi)部嵌入4軸運(yùn)動(dòng)控制卡(固高GT400SVPCI－G卡)，控制3臺(tái)直線電動(dòng)機(jī)與1臺(tái)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。另有一塊AD采集卡(研華PCI1712)，具有16位模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，16通道，1M的采集速度，完全滿足此檢測(cè)平臺(tái)的要求。還有一溫度傳感器，通過RS232C串行總線與PC機(jī)相連，用來檢測(cè)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度，其系統(tǒng)原理框圖如圖2。

2 持續(xù)推力模塊

直線電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)都上電，但是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)工作在位置模式，直線電動(dòng)機(jī)工作在電流環(huán)(轉(zhuǎn)矩環(huán))模式。測(cè)試過程中，把直線電動(dòng)機(jī)的電流設(shè)定為標(biāo)稱額定電流(直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的額定電流)，由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)，中間用力傳感器連接起來。在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的過程中，軟件實(shí)時(shí)通過AD采集卡采集力信號(hào)，溫度采集模塊把直線電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度通過RS232C總線傳輸?shù)絇C機(jī)中，這樣就可以得到電動(dòng)機(jī)當(dāng)前的電流、推力、溫度關(guān)系曲線。測(cè)試流程如圖3，當(dāng)溫度超過125℃退出程序后的前面一次測(cè)試的額定電流即為該電動(dòng)機(jī)的額定電流，此時(shí)的推力即為電動(dòng)機(jī)的額定推力，其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

3 反向電動(dòng)勢(shì)模塊

直線電動(dòng)機(jī)不上電，使用旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)，中間直接用螺栓連接即可。測(cè)量探頭連接到直線電動(dòng)機(jī)的A、B、C相上，詳細(xì)的連接方法如圖4。測(cè)試流程如圖5，在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的過程中，軟件實(shí)時(shí)通過運(yùn)動(dòng)控制卡采集位置信號(hào)、通過AD采集卡采集A、B、C相的電壓信號(hào)，這樣就可以得出電壓與位置的相對(duì)關(guān)系，即反向電動(dòng)勢(shì)，不過這樣測(cè)量出來的是相相反向電動(dòng)勢(shì)ep－p，而我們常說的是線線反向電動(dòng)勢(shì) eL－L，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為［4］

其測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

4 推力波動(dòng)測(cè)試模塊

直線電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)都上電，但是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)工作在位置模式，直線電動(dòng)機(jī)工作在電流環(huán)(轉(zhuǎn)矩環(huán))模式。測(cè)試過程中，把直線電動(dòng)機(jī)的電流設(shè)定為額定電流，由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)，中間用力傳感器連接起來，測(cè)試流程如圖7。在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的過程中，軟件實(shí)時(shí)通過運(yùn)動(dòng)控制卡采集位置信號(hào)，通過AD采集卡采集力信號(hào)，這樣就可以得出力與位置的相對(duì)關(guān)系，即額定波動(dòng)力，其測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

5 結(jié)語

本文研究了實(shí)驗(yàn)用永磁同步直線電動(dòng)機(jī)各類參數(shù)的測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)開發(fā)了永磁同步直線電動(dòng)機(jī)綜合檢測(cè)平臺(tái)EML3400，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣機(jī)持續(xù)推力、波動(dòng)力、反向電動(dòng)勢(shì)等主要參數(shù)的綜合檢測(cè)，并在一派工業(yè)驅(qū)動(dòng)有限公司的實(shí)際生產(chǎn)工程中獲得了良好的應(yīng)用。

［1］葉云岳.直線電機(jī)理論與應(yīng)用［M］.杭州:杭州大學(xué)出版社，1999.

［2］徐月同，傅建中，陳子辰.永磁直線同步電機(jī)推力波動(dòng)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(12).

［3］常蕾，楊中平，靳小亮.基于混合磁懸浮原理的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)數(shù)字控制器設(shè)計(jì)［J］.微電機(jī)，2009(3).

［4］高軍禮，肖曙紅，張希.直線電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息測(cè)控自動(dòng)化，2005，25(5).

［5］Jack Marsh.Motor Parameter Application Note［DB/OL］.PARKERTRILOGY Linear motor，www.trilogysystems.com.