永磁同步直線電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)研究

滕鵬飛 李希明

摘 要：本文在綜述直線電機(jī)的原理、分類和目前國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀后，提出了針對(duì)永磁同步直線電機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)。在分析此類電機(jī)的特點(diǎn)后，給出了系統(tǒng)的參數(shù)和指標(biāo)。利用光柵尺、力傳感器、熱電偶、工控機(jī)和上位機(jī)軟件構(gòu)建了檢測(cè)系統(tǒng)。本文詳細(xì)描述了系統(tǒng)的搭建方案、硬件設(shè)備、軟件功能。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率、推力、定位精度、溫升等參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)判斷，最終檢測(cè)完成后打印出具檢測(cè)報(bào)告。系統(tǒng)的研究為檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)永磁同步直線電機(jī)的檢測(cè)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了有力支撐。

關(guān)鍵詞：永磁同步直線電機(jī)，檢測(cè)系統(tǒng)，光柵尺，熱電偶

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.21.038

基金項(xiàng)目：本文受浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司自立科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：ZL202201）資助。

Research on Test System of Permanent Magnet Synchronous Linear Motors

TENG Peng-fei LI Xi-ming

（Zhejiang Fangyuan Test Group Co.， Ltd.）

Abstract： After summarizing the principle， classification and current situation of domestic standards on linear motors， the paper puts forward a test system for permanent magnet synchronous linear motors. By analyzing the characteristics of this kind of motor， the paper gives the parameters and indexes of the system， and constructs the test system grating ruler， force sensor， thermocouple， industrial personal computer and upper computer software. This paper describes the system construction scheme， hardware equipment and software functions in detail. This system can realize the measurement of voltage， current， power， thrust， positioning accuracy， temperature rise and other parameters， and can realize signal acquisition， data processing， data judgment， and print test reports at last. The research on the system provides a strong support for the test of permanent magnet synchronous linear motors and the development of relevant standards.

Keywords： permanent magnet synchronous linear motor， test system， grating ruler， thermocouple

0 引 言

直線電機(jī)可以理解為一臺(tái)按照徑向剖開，展開成平面的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它的一大特點(diǎn)就是將傳統(tǒng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，從而去除了中間的傳動(dòng)裝置。直線電機(jī)的原理也較簡(jiǎn)單，它的初級(jí)繞組可以等效為旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子，次級(jí)繞組可以等效為轉(zhuǎn)子。當(dāng)初級(jí)繞組通電后，氣隙中會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。次級(jí)繞組切斷磁場(chǎng)，則產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，繼而產(chǎn)生了推力。直線電機(jī)的初級(jí)繞組一般固定，此時(shí)次級(jí)繞組則會(huì)在推力的作用下產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。

直線電機(jī)一般可分為5種，即直線感應(yīng)電機(jī)、直線同步電機(jī)、永磁同步直線電機(jī)、雙饋直線異步電機(jī)、直線開關(guān)磁阻電機(jī)。直線感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好，所以最開始在中低速軌道交通中得到一定的應(yīng)用。直線同步電機(jī)也可稱為雙邊激磁電機(jī)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但是因?yàn)榇嬖诠β室驍?shù)高、效率高的優(yōu)勢(shì)，所以適合制成大氣隙、高功率的電機(jī)。通常這種電機(jī)應(yīng)用在磁懸浮列車中。永磁同步直線電機(jī)優(yōu)勢(shì)在于單邊激磁、磁場(chǎng)密度高。缺點(diǎn)是成本較高，弱磁場(chǎng)環(huán)境下，不易調(diào)節(jié)磁通量。近年來隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展迭代[1]，控制精度不斷提升，在需要高精度定位、頻繁快速移動(dòng)的場(chǎng)合中，有著巨大的應(yīng)用前景。雙饋直線異步電機(jī)可以雙邊激磁，存在調(diào)速性能好，功率因數(shù)較高的優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于車輛上。直線開關(guān)磁阻電機(jī)前景良好，但是目前階段還存在功率密度不高，控制成本較高的缺點(diǎn)。

近年來，隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提升，高精度智能制造已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必經(jīng)之路。在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人手臂、高端醫(yī)療器械等應(yīng)用場(chǎng)景中[2]，永磁同步直線電機(jī)以其高精度控制、高效率作業(yè)、較好的經(jīng)濟(jì)性，正逐步取代由“旋轉(zhuǎn)電機(jī)和滾珠絲桿”組合而成的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于去除了中間環(huán)節(jié)，所以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以輕松實(shí)現(xiàn)減少磨損、壓縮體積等以往難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。這類電機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)永磁同步電機(jī)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有不少，大致可以分為幾類：（1）永磁同步電機(jī)的通用標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 22669-2008《三相永磁同步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》、GB 30253-2013《永磁同步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》；（2）永磁同步電機(jī)在具體的行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的專用標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 25303-2010《紡織專用高效率永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件（機(jī)座號(hào)90～225）》、GB/T 25389.1-2018《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組永磁同步發(fā)電機(jī) 第1部分：技術(shù)條件》；（3）團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，如T/ZZB 0746-2018《變頻空調(diào)壓縮機(jī)用永磁同步電動(dòng)機(jī)》、T/ZZB 2155-2021《電梯用永磁同步門機(jī)》等。但是這些標(biāo)準(zhǔn)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即針對(duì)永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)制訂的標(biāo)準(zhǔn)，并不是針對(duì)永磁同步直線電機(jī)制定的標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)針對(duì)直線電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)很少，只有2部，即GB/T 34115-2017《永磁式直線電動(dòng)機(jī)通用技術(shù)條件》和JB/T 13218-2017《工業(yè)機(jī)械數(shù)字控制系統(tǒng)用直線電動(dòng)機(jī)》。前者針對(duì)永磁式直線電動(dòng)機(jī)制定了標(biāo)準(zhǔn)，但是并沒有根據(jù)永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)和數(shù)控機(jī)床的實(shí)際需求去進(jìn)行專門的制定，同時(shí)也沒有給出定位精度、重復(fù)定位精度等重要參數(shù)的測(cè)量方法和技術(shù)要求。后者是針對(duì)所有直線電機(jī)制定的標(biāo)準(zhǔn)，所以沒有結(jié)合永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)去細(xì)化要求，盡管標(biāo)準(zhǔn)寫明了適用場(chǎng)景，但遺憾的是依然沒有給出定位精度等相關(guān)信息。

綜上所述，由于國(guó)內(nèi)暫時(shí)還沒有出臺(tái)一套專門針對(duì)數(shù)控機(jī)床等使用場(chǎng)景的永磁同步直線電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。所以目前各個(gè)企業(yè)推出的永磁同步直線電機(jī)種類和數(shù)量眾多，尺寸和性能參數(shù)也各異。同時(shí)國(guó)內(nèi)很少有檢測(cè)機(jī)構(gòu)開發(fā)專門針對(duì)此類電機(jī)安規(guī)和性能的檢測(cè)裝置。綜上所述，急需研制相應(yīng)的檢測(cè)裝置來滿足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠和客戶的檢測(cè)需求，也能為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立積累經(jīng)驗(yàn)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)總體方案

通常檢測(cè)系統(tǒng)研究過程中，被測(cè)樣品的類型、測(cè)量參數(shù)的數(shù)量和精度等級(jí)、測(cè)量范圍等都決定了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和開發(fā)研制成本[3]。本系統(tǒng)旨在研究一套檢測(cè)裝置可以對(duì)運(yùn)用在小型加工機(jī)械臂中的永磁同步直線電機(jī)進(jìn)行安規(guī)和性能檢測(cè)。所以需要考慮的性能參數(shù)可確定為峰值推力在1000 N以內(nèi)，行程在700 mm以內(nèi)。因此系統(tǒng)檢測(cè)的性能參數(shù)包括定位精度、推力、電壓、電流、功率、功率因數(shù)；安規(guī)參數(shù)包括電機(jī)繞組溫度、溫升。

系統(tǒng)的搭建由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的性能參數(shù)和安規(guī)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。軟件部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、顯示、處理、打印報(bào)告等一系列功能，建立信號(hào)分析處理方法，編寫測(cè)試系統(tǒng)主界面。具體搭建方案見圖2。

2 檢測(cè)系統(tǒng)的硬件搭建

永磁同步直線電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分包含了電參數(shù)檢測(cè)、推力檢測(cè)、位移檢測(cè)和溫度檢測(cè)四個(gè)子系統(tǒng)。

2.1 電參數(shù)檢測(cè)子系統(tǒng)

電參數(shù)檢測(cè)子系統(tǒng)主要采用單相數(shù)字功率計(jì)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用的WT210型功率計(jì)的電壓量程為0～600 V，電流量程為5 mA～20 A，頻率的測(cè)量范圍為DC、0.5 Hz～100 kHz。永磁同步電機(jī)的輸入的電壓為220 V，頻率是50 Hz，功率計(jì)在這個(gè)條件下，電壓、電流和功率測(cè)量精度約為±0.1%，功率因數(shù)測(cè)量精度約為±0.002。此款功率計(jì)能滿足系統(tǒng)的電參數(shù)測(cè)量需求。

2.2 推力檢測(cè)子系統(tǒng)

推力檢測(cè)主要由壓力傳感器LH-S09F和力顯示控制儀表LH-PT930組成。LH-S09F根據(jù)平衡電橋原理，可對(duì)0～2000 N以內(nèi)的壓力進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)具有±0.05% FS的精度和2 kHz的采樣頻率。同時(shí)LH-PT930的非線性誤差≤0.002% FS，A/D轉(zhuǎn)換速率為1600次/秒。兩者的結(jié)合可以滿足測(cè)量需求。同時(shí)控制儀表可以將數(shù)據(jù)通過RS232信號(hào)線，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，提高了自動(dòng)測(cè)量水平。系統(tǒng)對(duì)推力進(jìn)行檢測(cè)的示意圖如圖3所示。

2.3 位置檢測(cè)子系統(tǒng)

考慮到永磁同步直線電機(jī)的運(yùn)行速率較快，一般可達(dá)2 m/s。所以子系統(tǒng)采用了非接觸式、增量式光柵系統(tǒng)RGH24。光柵尺的讀數(shù)頭精度可以到0.5μm，最高速度可到3 m/s。而光柵尺利用環(huán)氧膠粘合的方式，可以將尺子直接貼合到直線電機(jī)上，不受電機(jī)溫度波動(dòng)的影響。

2.4 溫度檢測(cè)子系統(tǒng)

溫度檢測(cè)子系統(tǒng)主要利用K型熱電偶和溫度巡檢儀實(shí)現(xiàn)。型號(hào)為MV2020的巡檢儀可以同時(shí)對(duì)20路通道的熱電偶信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，精度可到±0.1℃，每個(gè)通道的采樣速率為40次/秒。

3 檢測(cè)系統(tǒng)的軟件搭建

永磁同步直線電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）自動(dòng)/手動(dòng)采集數(shù)據(jù)；（2）可對(duì)安規(guī)參數(shù)和性能參數(shù)進(jìn)行顯示、結(jié)果判定；（3）可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；（4）對(duì)檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行打??；（5）對(duì)用戶進(jìn)行管理。

3.1 采集數(shù)據(jù)子系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)采集界面中，可以選擇“手動(dòng)采集”或“自動(dòng)采集”。當(dāng)選擇“手動(dòng)采集”后，檢測(cè)頁面中需要采集的數(shù)據(jù)由人工輸入。當(dāng)選擇“自動(dòng)采集”后，檢測(cè)頁面中，需要采集的數(shù)據(jù)會(huì)從端口自動(dòng)采集得到。

3.2 檢測(cè)子系統(tǒng)

頁面主要顯示了檢測(cè)數(shù)據(jù)信息，如：光柵位移、電機(jī)設(shè)定位移、允差、光柵重復(fù)位移、電機(jī)重復(fù)設(shè)定位移等參數(shù)信息。其中需要采集的數(shù)據(jù)有：（1）光柵位移、（2）光柵重復(fù)位移、（3）電機(jī)定子溫度、（4）環(huán)境溫度、（5）電機(jī)輸入電壓、（6）電機(jī)輸入電流、（7）推力、（8）電機(jī)輸入功率、（9）功率因數(shù)。需要輸入的設(shè)定數(shù)據(jù)有：（1）電機(jī)設(shè)定位移、（2）允差、（3）電機(jī)重復(fù)設(shè)定位移、（4）溫升限值。軟件根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后給出的結(jié)果有：（1）判定結(jié)果、（2）溫升。如圖4所示。當(dāng)電機(jī)行程超過限值后，圓形圖標(biāo)還會(huì)顯示紅色進(jìn)行提醒。

3.3 查詢子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要包括了查詢歷史測(cè)試信息和電機(jī)的基礎(chǔ)信息。在“查詢”界面中，顯示歷史測(cè)試信息，包括電機(jī)名稱、型號(hào)、廠家、序列號(hào)、測(cè)試時(shí)間等信息，也可對(duì)針對(duì)指定的日期內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。在“信息錄入”頁面中，需要錄入被測(cè)電機(jī)的基本信息。

3.4 報(bào)告打印子系統(tǒng)

在該界面下可以選擇需要的歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。

3.5 用戶管理子系統(tǒng)

在該界面下可以對(duì)軟件的用戶進(jìn)行管理，包括新增用戶、保存用戶列表、刪除用戶、重置用戶密碼等。

4 結(jié) 語

永磁同步直線電機(jī)具備高精度、高速度、無中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，隨著我國(guó)制造產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，越來越得到重視和運(yùn)用。近些年來，國(guó)內(nèi)廠家的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，迅速降低了產(chǎn)品的采購成本，同時(shí)帶動(dòng)國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品不斷降價(jià)。成本和性價(jià)比與日俱增，進(jìn)一步推動(dòng)了它的普及。本文搭建了對(duì)于永磁同步直線電機(jī)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、定位精度、推力、溫升等重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有測(cè)量準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高、擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。本系統(tǒng)的搭建為檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)于直線電機(jī)的檢測(cè)研究提供了有力支撐。

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作者簡(jiǎn)介

滕鵬飛，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)檢測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)裝備。

（責(zé)任編輯：袁文靜）