（机械制造及其自动化专业论文）直线电机进给系统及其驱动控制的研究.pdf

摘要 高速加工技术是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术。既能大大减少切削 时间，又能提高加工精度。高速数控机床和高速加工中心迅猛发展，推动了其功 能部件( 如数控系统、高速主轴、高速进给系统等) 迅速发展。高速加工广泛应 用于航空工业、汽车制造工业、模具加工工业等领域。 直线电机进给系统是高速机床的主要功能部件。它彻底改变了传统的滚珠丝 杠传动方式存在的弹性变形大、响应速度慢、存在反向间隙、易磨损等先天性的 缺点，并具有速度、加速度大、定位精度高、行程长度不受限制等优点、令其在机 床高速进给系统领域逐渐发展为主导方向。 本文主要以我校“g d 一3 型真线电机进给单元”为研究对象。从电机学的角 度建立了直线感应电机的数学模型，然后又建立了直线电机进给系统的控制模型， 通过m a t l a b 的s i m u l i n k 功能模块仿真分析模型中各参数和系统动态稳定性的 关系。论文还利用d s p 试验装置，搭建了直线感应电机控制的简易试验平台。结 合交流电机变频调速的v i f 理论，采用数字控制的方法设计了直线电机的s p w m 程序，并通过硬件仿真，验证该程序能够满足直线感应电机驱动的需要。 关键字：高速加工：直线电机；d s p ：s p w m 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g hs p e e dm a c h i n i n g ( h s m ) i so n e o ft h em o s ta d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s ，w h i c hi sd e v e l o p i n gq u i c k l yr e c e n t l y ，i tc a nd e c r e a s et h ec u t t i n g t i m e g r e a t l y ，a n d a l s oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fm a c h i n i n g t h ef u n c t i o n a lp a r t so fh i g h s p e e dn cm a c h i n i n gt o o l sa n dh i g hm a c h i n i n gc e n t e r ( s u c ha s ，n cs y s t e m ，h i g h s p e e ds p i n d l ea n dh i g hs p e e df e e ds y s t e m ，e t c ) h a v eb e e ni m p r o v e db yt h eg r e a t d e v e l o p m e n to ft h eh i g hs p e e dn cm a c h i n i n gt o o l s a n d h i g hm a c h i n i n gc e n t e r h s mh a sb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha sa v i a t i o ni n d u s t r y ，a u t o m o b i l ei n d u s t r y a n dd i em a c h i n i n gi n d u s t r y ，e t c l i n e a rm o t o rf e e ds y s t e m ( l m f s ) i so n em a i nf u n c t i o n a lp a r to ft h eh i g h s p e e dm a c h i n i n gt o o l s l m f sh a sc h a n g e dt h e i n h e r e n td e f e c t so ft h et r a d i t i o n a l d r i v em o d ed r i v e n b yb a l l s c r e wd r a s t i c a l l yw h i c hh a v el a r g ee l a s t i cd e f o r m a t i o n ， s l o wr e s p o n s e ，r e v e r s ec l e a r a n c ea n df r i c t i o nw e a r ，a n dh a ss o m ea d v a n t a g e so fh i g h s p e e d ，h i g ha c c e l e r a t i o n ，h i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n du n l i m i t e dt r a v e l ，a l lt h e s e m e r i t sm a d ei tb e c o m i n gt h el e a d i n gw a yg r a d u a l l yi nt h eh i g hs p e e df e e ds y s t e mo f m a c h i n i n gt o o l sf i e l d t h e “g d 一3f e e ds y s t e md r i v e nb yl i n e a rm o t o r ”i ss t u d i e di nt h i st h e s i s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o ri sb u i l ti nt h e w a yo fm o t o r s c i e n c e ，a n dt h e nt h ec o n t r o lm o d e lo ft h el i n e a rm o t o rf e e ds y s t e mi sp r o p o s e d ，a n d t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e p a r a m e t e r s i nt h em o d e la n dt h e s y s t e md y n a m i c p e r f o r m a n c e s a r e s t u d i e d ，u s i n g t h es i m u l i n km o d u l ei nm a t l a b t h e s i m p l e e x p e r i m e n tf a c i l i t y f o r c o n t r o l l i n gt h e l i n e a ri n d u c t i o nm o t o rh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h r o u g ht h eu s eo fd s p t r i a ld e v i c e b a s e do nt h ef o rt h ef r e q u e n c y t o s p e e dt h e o r yo f t h ea cm o t o r ，t h es p w mp r o g r a mo fl i n e a rm o t o ri s d e s i g n e db yt h e m e t h o do f d i g i t a lc o n t r o lw a y a n dt h ep r o g r a m i sv a l i d a t e dt ob ea b l et o s a t i s f yt h er e q u i r e m e r i t o ft h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o r d r i v i n gt h r o u g ht h eh a r d w a r es i m u l a t i o n k e y w or d s ：h s m ；l i n e a rm o t o r ；d s p ；s p w m | t 第一章绪论 效率、质量是先进制造技术当中要解决的主要任务。高速、高精度加工技 术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争力， 因此国际生产工程学会( c i r p ) 将其确定为2 1 世纪的中心研究方向之一。 现代数控机床一般部采用功能部件化的生产组织方式，也就是既数控机床生 产商可根据机床产品的功能和性能需要，选用适合的各类机床功能部件，从而满 足高教、大规模的生产要求，同时也能快速提高整机的技术水平。因此，机床功 能部件是数控机床的最重要组成部分，数控机床技术性能的提高离不开功能部件 向高速、高精度方向的发展。高速加工对机床进给系统提出了新的要求。从某种 意义上来说，高速加工是机床设计从“速度设计”发展到了“加速度设计”的新 阶段。进给系统要求能实现快速的伺服控制和误差补偿，并具有较高的定位精度 和跟踪精度。满足这些要求的进给系统将是崭新的高速直线运动部件与高速自动 化控制装置相结合的产物( i 。 1 1 高速切削加工理论基础 高速切削是一种比常规切削速度高5 一l o 倍进行切削加工的先进工艺，近2 0 多年来在工业发达国家发展非常迅速。高速切削理论源于德国切削物理学家萨洛 蒙博士( d r c a r ls a l o m o n ) 发表的超高速切削理论，该理论提出了高速切削假设， 即著名的“萨洛蒙曲线”f 2 7 ，如图i l 所示。该理论指出在常规的切削速度范围 内( a 区) ，切削温度随着切削速度的提高而提高。但当切削速度增大到某一数值 ( v c ) 以后，切削速度再增大，切削温度反而降低( v c 与不同工件材料有关) 。 如图l l 中所示，t o 为刀具材料允许的最高切削温度，而每种工件材料都存 在一个速度范围( b 区) ，在这个速度范围，由于切削温度太高，任何刀具都无法 承受，切削加工无法继续进行，b 区又称为“死区”。当切削速度越过“死区”上 升到c 区时，切削机理的变化使得高速条件下切削比常规过程容易。这表明在高 速区( c 区) 避开刀具磨损最严重区域( b 区) ，有可能用现有的切削刀具进行高 童三些奎兰三兰堡圭兰堡堡圣 速切削，从而大幅减少切削工时，大大提高机床的加工效率。 蚵 酣 灌 鹿 图1 1萨洛蒙曲线 f i g 1 1s a l o m o n c u r v e 近年来的生产实践与研究表明，高速切削和常规切削相比的主要优点1 3 1 是： ( 1 ) 单位时间的材料切除率可增加3 6 倍，因此生产效率高；( 2 ) 切削力可降 低3 0 以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于薄壁件和细长件等刚 性差的零件( 如航空航天零件) 的高速精密加工：( 3 ) 9 5 9 8 的切削热被切 屑飞速带走，来不及传给工件，工件可基本保持冷态，因而特别适用于加工容易 热变形的零件；( 4 ) 高速加工时机床的激振频率特别高，远离“机床一刀具一工 件”工艺系统的固有频率，工作平稳振动小，因而能加工出非常光洁、非常精密 的零件，例如高速铣削和高速车削甚至可达到磨削的表面质量水平。同时由于切 屑是在瞬间被切离工件，工件表面的残余应力非常小，这对航空航天工业产品有 特殊重要的意义。 1 2 高速切削机床中的直线电机进给系统 高速数控机床是实现高速切削加工的前提条件，它的工作性能主要取决于 机床的高速主轴系统、快速的伺服进给系统、刀具、夹具、床身支承系统和安全 防护装置等，其中高速切削要求机床的切削速度快，相应的也对机床进给单元提 出了更高的要求。高速切削的主要特征是采用比常规切削速度快5 1 0 倍的速度 进行切削加工，因此高速切削必须要有高转速主轴和高的主轴转矩和功率。目 2 第一章绪论 前高速数控机床的主轴最高转速己达6 0 ，0 0 0 1 0 0 ，0 0 0r r a i n ，主轴功率达1 5 - 8 0 k w 。而为保证加工时每齿进给量不变，确保零件的加工精度、表面质量和刀具 耐用度，进给部件的速度也必须相应提高5 1 0 倍，目前快速进给速度已达3 0 - 1 2 0 m m i n 。在加工过程中，机床的工作行程一般只有几十毫米到几百毫米，在这样 短的行程中要实现稳定的高速加工，除了要有高的进给速度外，还要求进给系统 有很高的加( 减) 速度，其范围高达1 一1 0g ( g = 9 8t r d s 2 ) ，以尽量缩短启动、变 速、停止的过渡时间，实现高速、平稳的切削。 1 2 1 进给系统传统的传动方式“旋转伺服电机+ 滚珠丝杠” 过去，在没有出现机床用的直线电机以前，数控机床进给系统主要采用“旋 转伺服电机+ 滚珠丝杠”的传动方式。随着高速加工技术的不断发展，这种传动 方式的许多弊端也都表现出来，例如：电机输出的旋转运动需经过联轴器、滚珠 丝杠、螺母等一系列中间传动和变换环节，才变为工作台的直线运动。由于中间 传动环节的存在，使得整个传动系统的刚度降低，启动和制动初期的能耗部用在 克服中间环节的弹性变形上。尤其细氏的滚珠丝杠，是刚度最薄弱的环节，其弹 性变形可使系统的阶次变高，系统的鲁棒陛降低，精密传动和定位精度性能下降。 弹性变形更是数控机床产生机械谐振的根源p 。 因此，在“旋转伺服电机+ 滚珠丝杆”方式的进给系统中仅想通过不断提 高电机转速或加大丝杆的导程来实现高速进给是不现实的，必须要有创新。所以 滚珠丝杆发展到了精密高速滚珠丝杆副。从2 0 0 3 年举行的机床展c i m t 2 0 0 3 中展 出的展品看，一个以精密高速滚珠丝杆副、直线电动机、精密高速滚动直线导轨 副为主体的满足高速化要求的新兴直线迸给功能部件产业正在全球范围内形成。 从展品中的快进速度v 。看，滚珠丝卡t 驱动v 。= 1 1 0 m m i n 直线电机驱动的 v ；= 2 0 8 m r a i n p l 。从中可以看出，精密高速滚珠丝杆副仍有一定的发展空间。 1 。2 ，2 数控机床直线电机进给系统 数控机床直线电机是一种能把电能直接转换成直线运动的机械能，而不需要 任何中间转换传动的驱动装置。它具有比传统电机驱动的机电没备所不能达到的 广东工业大学工学硕士学位论文 高效节能、高精度的特点。它能够有效克服通过传统旋转电机进行驱动时，机械 传换机构传动链较长= 、体积大、效率低、能耗高、精度差等缺点。 直线电机工作原理如图l - 2 所示。直线电机是将传统圆筒型电机的初级展 开拉直，变初级的封闭磁场为开放磁场，而旋转电机的定予部分变为直线电机的 初级，旋转电机的转子部分变为直线电机的次级。在电机的三相绕组中通入三相 对称正弦电流后，在初级和次级问产生气隙磁场，气隙磁场的分布情况与旋转电 机相似，沿展开的直线方向呈正弦分布的。当三相电流随时间变化时，使气隙磁 场按定向相序沿直线移动，这个气隙磁场称为行波磁场。当次级的感应电流和气 隙磁场相互作用便产生了电磁推力，如果初级是固定不动的，次级就能沿着行波 磁场运动的方向做直线运动。即可实现高速机床的直线电机直接驱动的进给方式， 把直线电机的初级和次级分别直接安装在高速机床的工作台与床身上，出于这种 进给传动方式的传动链缩短为零，被称为机床进给系统的“零传动” 6 】。 同“旋转伺服电机+ 滚珠丝杠”传动方式相比较，直线电机直接驱动有以下 图1 * 2 旋转电机和直线电机 f i g 1 2r o t a r ym o t o r a n dl i n e a rm o t o r 优点：( 1 ) 高速度，目前最大进给速度可达1 0 0 2 0 0 m m i n ；( 2 ) 高加速度，可高 达2 - l o g ：( 3 ) 定位精度高，由于只能采用闭环控制，其理论定位精度可以为零， 但由于存在检测元件安装、测量误差，实际定位精度不可能为零。最高定位精度 可达0 1 - 0 o l p m 。( 4 ) 行程不受限制，由于直线电机的次级( 定子) 可以一段一 段地铺在机床床身上，不论有多远，对系统的刚度不会产生影响。例如，美国 c i n c i n n a t i m i l a c r o n 公司为航空工业生产了一台h y p e r m a c h 大型高速加工中心， 主轴转速6 0 ，0 0 0r m i n ，主电机功率8 0k w 。直线进给采用了直线电机，其x 轴 4 第一章绪论 行程长达4 6m ，工作台快速行程1 0 0m m i n ，加速度达2g 。在这种机床上加工一 - 4 - j r 型薄壁飞机零件只需3 0 分钟；而同样的零件在一般高速铣床上加工，费时3 小时：在普通数控铣床上加工，则需8 个小时，优势相当明显”。 1 3 高速直线电机进给单元国内外研究现状 1 3 1 数控技术及其装备技术背景 数控技术是用数字信息对控制对象的机械运动过程进行控制的技术，数控 装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机 电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：( 1 ) 机械制造技 术；( 2 ) 信息处理技术；( 3 ) 自动控制技术；( 4 ) 伺服驱动技术：( 5 ) 传感器技术；( 6 ) 软件技术等。 数控机床从开始存在到现在已经近半个多世纪。现代数控机床与5 0 年前的数 控机床最根本的区别就在于它们的加工速度和加工精度发生了巨大变化，得到极 大提高。如加工精度从5 0 年代的o 0 1 i n m 到现在的1 u r n ，提高了1 0 4 倍，加工速度 则从每分钟几十毫米提高到每分钟几十米，提高了1 0 3 倍。机床技术水平的高速 发展是先进制造技术发展的结果，也是机床自动化技术，特别是以c n c 为代表 的先进技术对传统的机械制造业渗透，从而形成的机电一体化产品的结果 ”。 机械制造业是一个国家国民经济的基础，其中机械装备工业的技术水平和现 代化程度决定着整个机械制造业的水平和现代化程度，而数控技术及装备又是当 今先进制造技术和装备的关键核心。数控机床的生产能力和水平是衡量一个国家 综合实力的重要标志。世界各国广泛采用数控技术，以提高自身制造能力和水平， 提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数 控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技 术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政 策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加 速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径 我国数控产业经过近几年的优化调整才渐入正规，发展迅猛。随着国家政 策的扶持，全国固定资产投资加快，汽车、航空等下游产业的高速发展，有效地 广东工业大学工学硕士学位论文 刺激了我国机床消费需求和消费结构的变化。2 0 0 2 年我国机床消费超过了德国和 美国，成为机床消费第一大国f 8 】。我国正在向世界制造中心发展，世界各国制造 商均看好中国市场的前景。但是我国机床数控化程度较低，特别是中高档数控机 床的制造与发达国家相比还有一段距离。 1 3 2 直线进给系统国内外研究现状 自1 8 4 0 年惠斯登( w h e a t s t o n e ) 提出和试制了直线电机以后，就有人开 始设法利用直线电机并提出了相关专利。最早的专利是想把真线电机用在织 布机的梭子上。 科学家为了获得电梭子应用巧妙构思了许多各种形式的直 线电机。然而由于客观条件的限制，2 0 世纪7 0 年代以前，直线电机一直处 于实验阶段，到了7 0 年代以后才进入了商品化阶段。目前，直线电机在世 界各国的应用大致可分为五个方面，即物流系统、工业设备、信息与自动化 系统、交通与民用、军事及其它。 直线电机在工业设备中的应用非常广泛，而在机床装备业中应用更为突 出，近几年来，国际上一些工业发达国家开始将直线电机技术应用于高速数 控机床中。其原因是，传统机床的驱动装置依靠丝杆驱动，而丝杆驱动本身 具有一系列不利因素，如：长度限制、机械问隙、磨擦、扭曲、螺距的周节 误差等，已经满足不了现代机床的需要。而直线电机不仅无此缺陷，且结构 简单、精度可以是丝杆的l o 倍甚至1 0 0 倍，加速度可以是传统机床的2 0 倍 以上。图l 一3 为直线电机与滚珠丝杠加速度性能的比较。由图可见，滚珠丝杠工 作台从静止到2 5 m m i n 需要o 5 秒，而直线电机工作台从静止到7 5 m m i n 的速度 只需o 0 5 秒。直线电机进给系统的高加( 减) 速性能由此可见一斑口l 。 机床进给系统采用直线电机直接驱动 带来了传统驱动方式无法比拟的性 能指标和优点。国外在高速加工中心上已广泛应用直线电机驱动，使机床的动态 性能大为提高。1 9 9 3 年德国e x c e l l 0 公司在汉诺威国际机床| 尊览会上展出了世 界上第一台直线电机驱动工作台的h s c 2 4 0 型超高速加工中心，采用了德国 i n d r a m a t 公司开发成功的感应式直线电机。该机床最大快移速度6 0m m i n 。此后， 直线电机就象雨后春笋般在超高速加工中心上越来越多被采用。在日本，机床备 进给轴采用直线电机产品的例子在不断增多。早在1 9 9 8 年第十九届j i m t o f 上， 6 第一章绪论 时l l 抄) 图1 3 直线电机与滚珠丝杠加速度的比较 f i 9 1 - 3a c c e l e r a t i o nc o m p a r i s o nb e t w e e nl i n e a rm o t o ra n db a l ls c r e w 就展出了8 台直线电机作进给驱动的机床。在2 0 0 2 年l o 月日本东京第二十一届 j i m t o f 机床展上，展品中更多的体现了“最适用化”、“速度”、“个性化”的特 点。所有这些发展都建立在伺服控制系统性能得到大力提高的前提之上。其中2 3 家公司展出了4 l 台装有直线电机的数控机床，包括加工中心儿台1 9 1 。目前，装 有直线电机的机床是r 本机床生产商供应的主流实用机床。 在欧美，也有许多机床制造厂商生产用直线电机的机床和高速加工中心。最 著名的有：i n g e r s o l l ，k i n g s b u r y ，e x c e l l o ，g r o bs y s t e m ，p r e c i t e c h ，r e n a u l t a u t o m a t i o n ，j o b s ，d m g 和f o r e s tl i n e 等公司。他们的直线电机一般都选用了 a n o r a d ，s i e m e n s ，i n d r a m a t 和g ef a n u c 等公司的产品，伺服控制系统选用了 s i e m e n s ，g ef a n u c 和i n d r a m a t 等公司的产品。 从2 0 0 3 年l o 月在意大利米兰举行的e m 0 2 0 0 3 国际机床展看，高速加工进 一步普及，直接驱动进一步成为高性能机床的重要技术手段。会展中德国d m g 公司展品多为直线电机驱动。大批高性能加工中心采用了直线电机直接驱动技术。 据称用直线电机比用滚珠丝杆传动的成本已从1 0 年前的贵3 0 ，降低到目前指 贵1 5 2 0 ，而且参展商普遍认为用户可以节省运行成本2 0 以上，从而可以及 时收回附加投资。j o b s 公司认为有一半以上的机床采用直线电机在技术上和经 济上都是值得的【l 。 国内直线电机技术的研究始于本世纪7 0 年代，上海电机厂开始研制并生产直 线异步电动机，宁波大学的丁志刚等对直线异步电机的工作原理、结构和控制系 统进行了一定的研究：从九十年代丌始，沈阳工业大学的郭庆鼎等开始对永磁同 步直线电机的运动控制进行研究，并制造出了推力为1 0 0 n 的样机：清华大学精 密仪器与机械学系制造工程研究所电成功地研制了用于驱动中凸变活塞车床的横 0 5 0 j c 5 乃川 孔 引 珀 伦 一u i 目j 一世嘲螺制 广东工业大学工学硕士学位论文 向刀架高频响直流赢线电动机】；国防科技大学在活塞非圆切削中采用直线电机 来直接驱动刀具f 1 2 。但以上直线电机未能实现真正应用到高速机床上，大推力、 长行程的进给，不是真正意义上的应用在高速机床上的直线电机进给单元。1 9 9 5 年以来广东工业大学超高速加工与机床研究室开始丌展直线电机在机床上的应用 研究，开发了由直线感应电机驱动的g d 3 型高速数控机床进给单元，其额定推 力2 0 0 0 n ，最高进给速度1 0 0m m i n ，定位精度为o 0 0 4 m m ，行程8 0 0 m m 13 川“。 清华大学机械学系制造工程研究所，研究的长行程永磁直线伺服单元额定推力 1 5 0 0 n ，最高速度6 0 m m i n ，行程6 0 0 m m 【l “。沈阳工业大学研究的重点摆在了永磁 同步直线电动机的控制方式及伺服系统】【1 7 ：在2 0 0 3 年的第八届中国国际机床 展览会( c i mt 2 0 0 3 ) 上北京机电院高技术股份公司、江苏多棱数控机床股份有 限公司展出了国产首批直线电机驱动的立式加工中心( v s l 2 5 0 ) 其x ，y 轴采用了直 线电机，最大进给速度6 0 m s 。采用直线光栅尺反馈，全闭环控制，定位精度高， 稳定性好。该加工中心采用了西门子8 4 0 d 系统，具有很高的可靠性与稳定性1 8 1 。 这些研究工作为直线电机技术在高速机床上的应用发挥了积极作用。目前在我国 机床行业厂家中，应用直线电机进给系统的产品将越来越多。有专家预言，未来 五年内，数控机床中将会有2 0 左右的机床采用直线电机驱动机构，我国白行研 制的大推力、长行程、高精度机床用直线电机的前景会越来越大1 9 】。 1 4 论文研究的意义 研制和开发高速数控机床，是实现高速切削的基本前提。高速机床的工作 性能主要取决于高速主轴部件、高速进给部件及其控制系统、高刚度大阻尼的支 承部件等。当主轴切削速度大幅提高时，机床进给速度必须大幅提高，更重要的 是进给单元的定位精度和控制系统的响应速度必须相应提高。直线电机直接驱动 工作台的进给系统取消了从电机到工作台之间的一切机械联接中间环节，实现了 “零传动”，从根本上解决传统的进给系统中由于机械传动链引起的有关问题。 高速数控机床的直线进给单元目前主要采用交流感应( 异步) 直线电机和交 流永磁( 同步) 直线电机两种。论文的研究对象为交流感应( 异步) 直线电机， 异步电机的变频运行时的动态特性十分复杂，因此要对直线电机这种复杂的动态 过程进行定量分析，必须建立研究对象的数学模型，所以建立直线感应电机的数 r 第一章绪论 学模型对于课题的研究和今后对直线电机初级变频调速控制等等工作充当了基础 理论的重要角色。由于直线电机是直接驱动工作台，因而来自外界的扰动，如切 削力大小，工作台和工件或刀具的质量大小变化等，都直接作用在直线电机上， 与旋转型伺服电机控制系统相比，在系统的刚性、抗扰动能力和鲁棒稳定性等方 面对直线电机伺服控制系统提出了更高的要求，必须采用有效的控制策略来抑制 各种干扰因素对系统性能的影响，如传统的p i d 反馈控制、p p i 反馈控制、解耦 控制等，现代控制策略( 包括自适应控制、变结构控制、鲁棒控制h 。、预见控制 等) ，以及智能控制理论( 包括模糊逻辑控制、神经网络控制和人工智能控制) ， 控制难度要求大大提高2 0 】 2 1 】 2 2 1 。 从交流调速的发展历史看，感应电机驱动的原理半个世纪前已经很清楚。 6 0 一7 0 年代有了静止的电力电子变留装置后，交流调速才发展起来，多采用复杂 的模拟电子电路。微机控制出现后，用软件实现控制算法，才有规范化硬件电路。 电力电子和微机控制技术是现代交流调速系统不断发展更新的动力。近几年来， 计算机技术的日新月异，新的驱动芯片层出不穷，而美国德州t i 公司的第五代 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 芯片采用了改进哈佛结构，多组总线结构和并行处理机 制，c p u 专用的乘法器，新增的比例位移器和快速的指令周期( 一个指令周期约 2 0 n s ) ，具有强大快速的运算能力，还具有专为电机控制预留的事件模块，拥有硬 件的p w m 发生机制 ，”。所以采用t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的d s p 芯片作为实验台架 的直线电机伺服驱动部分的核心将大大提高控制系统处理数据的速度，从而达到 提高直线电机控制响应速度和提高控制精度的目的。 作为高速机床的新一代的直接驱动伺服执行元件，直线电机伺服驱动技术在 欧美、日本等发达国家已经进入工业化应用阶段。国内这方面的研究仍处于起步 阶段，差距甚远，而且直线电机及其伺服驱动的关键技术基本上被各个行业巨头 垄断。因此，我国要发展制造业，提高制造业的含金量，就必须对高速机床关键 技术进行攻关。本论文的研究内容之一就是充分利用新型的芯片的硬件资源优势 并结合直线电机的自身特点，将其融合起来，建立一个d s p 直线电机驱动系统简 易试验台，本项工作是直线电机新型驱动的基础性研究，为推进直线电机驱动控 制技术的发展有一定的现实意义。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 5 论文研究内容 机床直线进给驱动系统主要由直线电机、机床的工作平台和直线导轨等组 成，其中，直线电机是关键部件。其性能好坏决定了直线进给系统的性能( 包括 速度、加速度、推力、定位精度、重复定位精度、动态性能和热性能等) 。为了提 高直线进给的性能，目前对直线电机进给系统主要通过结构和系统控制算法两方 面。结构方面主要是对进给系统的机械构造和直线电机绕组磁路的优化，系统控 制的研究在于采用不同的控制策略来设计控制器以及采用更高速的微芯片来控制 电机等。由于直线电机与旋转电机的电磁特性和运行原理相似，因而旋转电机的 理论和方法对直线电机的伺服驱动控制的研究有定的指导意义。 本论文试图以我校研制的g d 一3 型直线电机进给单元为研究对象。先对其主 要构成部件的直线感应电机采用数学方法从电机学角度，理论上建立数学模型； 然后建立g d 一3 型直线电机进给单元数学模型并对其用m a t l a b 软件进行仿真，分 析系统的动态稳定性能与控制参数的关系；然后利用三知公司d s p 实验箱，搭建 了直线感应电机驱动控制的简易试验平台，采用数字控制的方法设计了直线电机 的s p w m 变频调速的程序，通过仿真验证该程序能够满足直线感应电机驱动的实 现。本文研究的目的是使得具有高速优势的d s p 器件应用到高速的直线电机进给 系统设计中。 本论文共分为5 部分： 第一章综述了高速切削的背景及其对机床高速直线进给单元的要求，论述了滚珠 丝杠传动、直线电机传动的原理和各自优缺点，探讨了国内外直线电机和 的历史、发展，直线电机进给系统在高速数控机床和高速加工中心的应用， 以及美国德州仪器公司( t i ) d s p 器件在直线电机驱动的优势，最后阐明 了本课题研究的意义和内容所在。 第二章对g d 3 型直线电机进给单元的主要部件直线感应电机进行了数学建模， 推导出数学模型，具有重要的基础理论意义。 第三章主要是建立g d 3 型直线电机进给系统的控制模型，并采用m a t l a b 软件来 进行仿真，分析控制框图中各个增益对系统性能的影响，并得出分析结果。 第四章主要是阐明了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片选择的依据，及其在直线电机变频驱 1 0 第一章绪论 动中的应用，并以其为驱动控制系统的核心，搭建了直线感应电机驱动控 制简易试验平台。 第五章阐述了直线电机的s p w m 变频变压调速实现原理与方法，s p w m 波形的 原理及实现算法，编写产生s p w m 波形的程序，在建立的直线感应电机 驱动控制简易试验平台上仿真分析所生成的s p w m 波形，得出该s p w m 波形可以用于直接驱动直线感应电机。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章直线感应电机( l im ) 数学模型的推导 2 1l lm 建模基础 直线电机是一种把电能直接转换成直线运动的机械能，而不需要任何中间转 换传动的驱动装置。它具有传统电机驱动的机电设备所不能达到的高效节能、高 精度的特点。它能够有效克服使用传统旋转电机时，机械传换机构固有的传动链 条体积大、效率低、能耗高、精度差、污染环境等缺点。 在数控机床制造中，赢线电机直接驱动进给系统是近十年来兴起的一种新型 的机床进给驱动系统，其工作台驱动部件一直线电机的工作原理与旋转电机相似， 相当于把旋转电机的定子和转子按圆柱面展开成平面，直线电机的“动子”和工 作台相连，“定子”和机床床身( 立柱) 相连。在电机结构上，直线感应电机的初 级与旋转电机的定子之间的差别在于，前者初级铁心的纵向两端是开断的，形成 了两个纵向边缘，铁心和绕组不能像旋转电动机那样在两端互相连接。这种结构 直接导致了直线感应电机比旋转感应电机多了边缘效应的现象，这是由于行波磁 场方向上的涡流的分布不对称引起的。 2 2l im 数学模型假设 若忽略纵向端部效应，考虑到次级铁心槽中装的笼状导条，则直线感应电动 机就与旋转感应电动机很相像4 1 2 4 1 2 5 1 。这样可以参照旋转感应电机的数学模型推 导方式来得出l i m 的数学模型。 r h 电机旋转磁场理论可知，对称三相绕组中通以对称三相正弦电流时，基波 合成磁动势是一个在空间正弦分布，以同步速度旋转的磁动势波。所以，当直线 感应电机的初级的对称三相绕组通入三相对称电流后，假如不考虑空问磁势波的 谐波成分，只考虑基波磁势，将产生直线方向移动的正弦的行波磁场，行波磁场 的速度称为同步速度v 。， ”l = 2tf ( 米秒) ( 2 l ) l2 第二章直线感应电机( l i m ) 数学模型的推导 式中：f 一电源频率( h z ) t 一极距( 米) 图2 l 直线感应电机( l i m ) 原理图 f i g ，2 一lp r i n c i p l ed i a g r a mo fl i n e a ri n d u c t i o nm o t o r 2 3 建立l im 在a ，b 。c 三相系统下数学模型 由电机统一理论可知，任何交流电机的运动方程，经过适当的坐标变换都可 以变为与原型电机相同的形式。反之，由统一的原型电机方程，经过坐标变换， 又可推出各种交流电机的运动方程2 们。为了在原型电机和交流电机进行坐标变换 时能采用叠加原理等基本分析方法，将电机理想化，可作一下几点假设： 1 电机磁路为线性化； 2 忽略铁心损耗： 3 所有线圈产生的磁动势波和磁密波在空间都按正弦分布； 4 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响： 5 如图2 一l 所示，初级通入三相对称电流： 6 ，忽略直线感应电机的纵向端部效应。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 3 1 磁链方程 由假设得直线感应电机中初级、次级相应的六个绕组的磁链可以表达为 y y8 c y 。 妒6 妒。 ( 2 2 ) 上式等号右边的矩阵l 为( 6 x 6 ) 矩阵，其中各元素分别是各绕组的自感和互感。 实际上，可以认为直线交流感应电机交链各绕组的磁通只有两类：一类是只 与初级或次级某一绕组交链而不穿过气隙的漏磁通；另一类是穿过气隙的公共主 磁通。初级漏磁通所对应的电感是初级漏感l 次级漏磁通所对应的电感是次级 漏感l 2 i 。如果用l l 。表示与初级主磁通对应的初级电感，用l 2 。表示与次级主磁 通对应的次级电感，那么初级、次级的自感分别为： l a a = l b b = l c c = l l m + l l l( 2 3 ) l a a = l b b = l c c = l 2 m + l 2 1 初级三相a 、b 、c 之间的互感与穿过气隙的公共主磁通对应，由于初级三相绕 组轴线在空间的相位差为1 2 0 0 ，则 l a b = l b c = l c a = l c b = l s a = l a c = l l m c o s l 2 0 。= 一圭l 1 m ( 2 4 ) 初级绕组的相问的互感除由主磁通引起外，还包括槽漏磁，端部漏磁及谐波漏磁 引起的互感，考虑漏磁互感之后，式( 2 4 ) 也只是近似相等。 同理，次级绕组a 、b 、c 之间的互感为： l 。b = l b 。= l 。= l 。= l 。b = l b 。= l 2 m c o sl2 0 。= 娄l 2 m 1 4 ( 2 5 ) 幻叼k“k 加 如 胁 卵 l l l l l 肋 肋 。 曲 胁 8 l l l l l l 船 乩 o 衄 阳 l l l l l 们 盯 叩 酊 以 l l l l l l 邶 叩 砧 帖 捕 l l l l l l “ 甜 甜 矾 拈 正 l l l l l l 第二章直线感应电机( l r m ) 数学模型的推导 图2 - 2 三相绕组坐标系统示意图 a f i g2 。2c o o r d i n a t es y s t e mo ft h r e ep h a s e sw i n d i n g 最后，初级与次级三相绕组之间的互感与穿过气隙的公共主磁通相对应。先 令图一中初级的a x 相轴线和次级a x 相轴线间距离为x ，根据一个极距对应1 8 0 。 电位角原则可以推导出x 对应的电位角度，设其为0 ( 如图2 - 2 ) 所示公式如下， x1 9 z = 焉 ( 2 6 ) 2 f3 6 0 。 、 那么， l a a = l b b = l c c = l a a = l b b = l c c = l 1 2 c o s0 = l t 2 c o s x 1 8 0 。 f l a b = l b 。= l c 。= l 。c = l b a = l 。b = l i 2 c o s ( 0 + 1 2 0 。) = l 1 2 c o s ( x1 8 0 。+ 1 2 0 。)( 2 7 ) f l a e = l b a = l c b = l b c = l c a = l a b = l t z c o s ( 0 1 2 0 。) = l t 2 c o s ( x1 8 0 。一12 0 。、 彳 式中，l 1 2 为x = o 时初级a 相绕组与次级a 相绕组之间的互感。 将式( 2 3 ) 式( 2 7 ) 中的自感互感表达式代入式( 2 2 ) 中可得 帆 虬 虬 虬 厶： l l + 上1 。 一h ， 2 “” 一昙。 l - - e 厶：c o s x 竖 c 。s ( x 堕+ 1 2 0 。、 c o s ( x 等_ 1 2 明 l ：c o s x 里 f l l 2c o s f x 竖一1 2 0 。、 f - 1 2c o s ( x ! 竖+ 、 f l 2 1 + k m 一扛 一扛 一主m l ir + 厶。 一三。l l , 2c o s ( x 1 8 0 ”一1 2 0 。) z t 2c o s x 竖 l zc o s ( x 睾+ 1 2 0 。) 2c o s ( x1 8 0 十1 2 0 。1 t c o s x 堕 r kc o s ( x1 8 0 。一1 2 0 。) f 一土：。2 j _ k f + 如。 一土l ：。2 m 一扛 一扛 l “+ 。 l 【2c o s ( x 1 8 f 0 。+ 1 2 0 。) l t zc o s ( x 竖1 2 0 。1 f 厶2c o s x 1 8 0 。一 竞1 2 f i a c o s x fl 厶2c o s ( x 坐：+ o 。) j l f 厶2 二= 忆 一土l 。 ， 。1 o 一岛。l i l 2 ，+ t 。j ( 2 8 ) 如果用1 表示直线感应电机的气隙磁路的磁导，初级每相绕组的等效匝数为n 。， 次级每相绕组的等效匝数为n 2 ，则由电感的基本定义( l ：t 【r i ) 可以得到以下 关系式： 厶。= 坐娑坦：埘? l a 厶：= 型攀坦：2 n t n ： f 。 由公式( 8 ) 可得到： 盟：生：生 j v 2厶2 岛。 f 盟 2 ：生 l 2 岛。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 现在把次级电流i a 、i b 、i c ，以及次级磁链。、1 i r 。折算到定子侧，折算原则 是次级的匝数从n 2 变到n i ，折算前后磁势不变，那么折算后的转子电流和磁链 是： 1 6 半 第二章直线感应电机( l i m ) 数学模型的推导 把式( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 代入式( 2 8 ) 中，即将次级的磁链和电流用其折算到初级的 磁链和电流代替，得， 一昙厶。 - r _ 一三。 mc o s x _ 1 8 0 q c o s ( x 堕+ 1 2 0 。) l 。c 。s ( x 竖一1 2 0 。) k c 础半 l l mc o s ( x 掣_ 1 2 h m c o s ( x 半+ 1 2 0 。) t ，+ l 1 m i 1 l ， 一扛 一扛 f + h 。 一! 。2 l ，n 厶c o s ( x 孚_ 1 2 l i 。c 。x 竖 q mc o s ( x 里+ 1 2 0 。、 k c o s ( x 孚+ 1 2 0 。)