机电一体化 课件 4.5 直线电动机伺服驱动控制

4机电一体化伺服驱动技术任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.0直线电动机概述

直线电动机驱动实际上是将过去的“旋转伺服电机＋滚珠丝杠”构成的直线运动传统进给模式，变成了“直接驱动”方式，也称“零驱动”。丝杠与电机合一后使传动更直接，避免了机械磨擦、粘滞、间隙等影响；响应更快，传动精度更高，适应了当前数控机床向高速进给（60～200m/min）、高加速度（1～10g）、高精度（纳米插补）的“三高”方向发展的需要。滚珠丝杠的速度为120m/min，加速度为1.5g。直线电机的速度可达420m/min，加速度可达10g例如：加工一个整体薄壁飞机构件：

用直线电机驱动的机床，只需要不到半小时

一般的高速铣床加工需要3小时，

用普通数控铣床加工则需要8小时。伺服电机+滚珠丝杠的精度可达2-5μm，而直线电机的定位精度可达0.1μm任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.0直线电动机概述任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.0直线电动机概述直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。初级（定子）：对应于旋转电动机定子次级（动子或滑子）：对应于旋转电动机转子直线电机的运动方式可以是固定初级，让次级运动，称为动次级；

也可以是固定次级，让初级运动，称为动初级。导读当初级通入电流后，在初次级之间的气隙中产生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。（初级）（次级）任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.0直线电动机概述实际平板型直线感应电动机初级长度和滑子长度并不相等：

（单边平板型直线电动机）短初级长次级结构长初级短次级结构任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.0直线电动机概述

为了抵消定子磁场对动子的单边磁吸力，平板型直线感应电动机通常采用双边结构，即用两个定子将动子夹在中间的结构型式。任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.0直线电动机概述

圆筒型直线电机也称为管型直线电机，把平板型直线电动机沿着直线运动相垂直的的方向卷成筒形，就形成了圆筒型直线电动机任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.0直线电动机概述常见的直线电机有3种形式：空芯直线电机：U形结构铁芯直线电机：扁平结构轴式直线电机（柱状直线电机）：管状结构任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.0直线电动机概述任务4.5直线电动机伺服驱动控制

──4.5.1空芯直线电动机：U形结构

4机电一体化伺服驱动技术磁铁排列在U型板两侧，形成两个相对的平行磁道，线圈包裹在环氧树脂中，充当动力器，线圈组件是无铁的，需要通过轴承支撑在磁道中，来回运动。因为线圈组件无铁芯，所以它和和磁轨之间不会产生吸引力，也不会产生干扰力，这种线圈组件的质量很轻，可以实现很高的加速度。空芯直线电动机：U形结构任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.1空芯直线电动机：U形结构无铁芯U型直线电机应用于X，Y运动平台任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.1空芯直线电动机：U形结构U型直线电机磁场方向，以及通电时线圈和磁道受力示意图：

图中有8对磁铁组件和三个线圈的直线电机，图示位置，导线在磁场中受力分析可知，线圈受力在左右方向。使电机左右作直线运动。

结合位移传感器，实时监测线圈或者磁铁组件的位置，来更换通电线圈的相，比如是12，还是23，还是13线圈通电，来达到持续运动的效果任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.1空芯直线电动机：U形结构任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.1空芯直线电动机：U形结构常见直线电机磁铁排列方式

排列，可以在单侧产生最高的磁场强度，从而增加电机出力。通常，线圈绕组为三相，通过无刷换相（电子换相）。由于磁体彼此相对并容纳在U形通道中，因此这种电机磁通量泄漏小。另外，因为磁道安装在固定件上，所以行程可以做得很长，唯一的限制是电缆管理和可用的编码器长度，以及加工大型扁平结构的能力。当然，这种电机也有它的缺点，由于动力器由缠绕的线圈制成，并和环氧树脂保持在一起，因此大部分热量必须通过它及线圈安装板散发，少部分热量也可以通过气隙进入磁体轨道。这两个路径都具有较高的热阻，因此使电机的热管理变得困难。另外线圈组件由线圈和环氧树脂制成，力在线圈上产生。这意味着所有施加的力都作用在绕组和环氧树脂上，与铁芯直线电机相比，这是一个薄弱的结构，这种弱点限制了电机最大尺寸和出力。由于热量和结构上的限制，这种类型的电动机每包装尺寸的力很小，另外双磁道设计，也占用了额外的空间。说明任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.1空芯直线电动机：U形结构U槽无刷直线电机可以直接驱动，无需将转动转为线性运动，机械结构简单可靠。电机运行超平稳，无齿槽效应，动态响应速度极快，惯量小;

加速度可达

速度达到

低速

运动平滑，刚性高，结构紧凑，可选配直线编码器做高精度位置控制，其位置精度取决于所选编码器。任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.1空芯直线电动机：U形结构9/8/21任务4.5直线电动机伺服驱动控制

──4.5.2铁芯直线电动机：扁平结构

4机电一体化伺服驱动技术任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.2铁芯直线电动机：扁平结构铁芯直线电机的线圈先安装到铁叠片上，然后再安装到铝制底座上。铁叠片用于导磁，增强电机出力性能，叠片设计可以减小涡流发生。而磁铁排列在磁道上，通常为了减小齿槽效应而倾斜放置。铁芯直线电机结构示意图任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.2铁芯直线电动机：扁平结构扁平直线电机应用于单轴运动平台，磁铁组件固定，线圈组件带动上面的平板运动。任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.2铁芯直线电动机：扁平结构9/8/21任务4.5直线电动机伺服驱动控制

──4.5.3轴式直线电机：管状结构

4机电一体化伺服驱动技术轴式直线电机：管状结构任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.3轴式直线电动机：管状结构轴式直线电动机中，线圈和磁铁都呈圆柱状，磁铁通过圆柱不锈钢管包裹，或者穿过不锈钢轴形成磁铁组件，磁铁组件穿过线圈内孔，线圈相对磁铁组件作轴向运动。

线圈绕组通常由三相组成，使用霍尔效应器件，或者使用线性编码器，进行无刷换相.集成温度传感器，用于检测线圈温度。电机由两部分组成：磁轴、线圈轴式直线电动机结构示意图任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.3轴式直线电动机：管状结构通电导线在磁场中受力情况三相圆柱形直线电机磁场向外发散，垂直于线圈。电流则垂直于屏幕，线圈和磁铁组件受力沿杆方向，也就是左右方向。三相通电导线在磁场中受力情况任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.3轴式直线电动机：管状结构

轴式直线电机应用于单轴运动平台，双电机驱动，电机轴两端固定，线圈组件运动，光栅尺及读数头布置在中央，导轨分布在光栅尺两侧。任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.3轴式直线电动机：管状结构轴式直线电机在Z轴驱动的应用：需要重力平衡器

线圈运动轴运动任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.3轴式直线电动机：管状结构直线轴式电机的线圈构成出力器，提供上述铁芯电动机所期望的刚度。由于线圈完全包裹在磁体周围，因此可以有效利用所有磁通量。且允许较大的（0.5至2.5mm）标称环形气隙，在整个设备行程中，随着气隙的变化，力不会发生变化。缺点：相比U型和扁平铁芯直线电机，它更占空间，这种电机不适用于对磁通泄漏敏感的应用。因为这种电机唯一的支撑点是在末端，刚性有限，所以不能制作太长的行程。直线轴式电机的特点：任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.3轴式直线电动机：管状结构9/8/21任务4.5直线电动机伺服驱动控制

──4.5.4直线电动机的驱动控制

4机电一体化伺服驱动技术以松下A6L直线驱动及直线电机系统为例

介绍：驱动产品系统构成及配线

直驱系统构成

直线电机系统+驱动器系统电机：对应3相无铁芯、带铁芯、轴电机、直驱电机等多种位移传感器：对应串行通信增量式/绝对式、A/B/Z相的各位移传感器磁极位置检出：对应有/无磁极位置信号两种（自动检出）安装：自动设定磁极、位移传感器方向、增益等任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.4直线电动机的驱动控制电机系统图1.电机系统图任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.4直线电动机的驱动控制驱动器系统图2.驱动器系统图任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.4直线电动机的驱动控制

XA:

电源输入连接器，当电源为单相220VAC时，主电源接L1和L3，控制电源接L1C和L2C

XB:

电机用连接器，接入对应的电机相线即可，屏蔽或地线也需接入下方相应的接地引脚

X4:

控制端连接器，接入控制器中，需注意合理规范的接线和走线，避免干扰问题

X5:

编码器连接器，与电机反馈尺连接，如需布入拖链需注意，请勿将连接处放入弯折部分

X6:

霍尔连接器，与电机内霍尔传感器连接，霍尔为特殊用途，若无请忽略

3.直线电机系统接线须知任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.4直线电动机的驱动控制

4.X5编码器引脚定义任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.4直线电动机的驱动控制5.X6霍尔传感器引脚定义任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.4直线电动机的驱动控制

1：X1-X6为二次电路，一次电源（控制电源用直线电源DC24，再生电阻用直流电源DC24V等其它电源）之间需要进行绝缘，请勿连接相同电源。此外，请勿连接地线。反之则会成为输入输出信号错误动作的原因；

2:

控制电源（特别是DC24V)和外部的操作电源分开使用电源，特别注意请勿将两个电源的地线相互连接，布线时也请合理分配外部操作电源控制电源的布线路径，遵循强弱电分开的原则布线；

3：

信号线请使用屏蔽线，屏蔽线两端请接地。

注意点：

控制输入输出时，噪音入侵（干扰）是导致输入输出信号产生错误动作的原因任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.4直线电动机的驱动控制9/8/21任务4.5直线电动机伺服驱动控制

──4.5.5直线电动机的特点及应用领域

4机电一体化伺服驱动技术效率高

由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗。1.直线电机的特点任务4.5直线电动机伺服驱动控制──4.5.5直线电动机的特点及应用领域高速响应

由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的如丝杠等机械传动件，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。定位精度高

直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构引起的传动误差减少了插补时因传动系统滞后带来跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。传动环节的无弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时提高了其传动刚度。速度快、加减速过程短行程长度不受限制

在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。

直线电机广泛应用于OEM（俗称代工）市场的电子与半导体设备、喷绘行业、印染行业、印刷行业、玻璃行业、精密数控机床、高端医疗器械、手机检测行业、玻璃检测行业等领域。2.直线电机的应用领域（a）直线电机地铁（直线电机电动列车）直线电机地铁是直线电机电动列车所行驶的地铁的爱称。是在非悬浮状态下，用铁车轮在铁轨上行驶的交通工具。在东京都营地铁大江户线和福冈市的地铁中采用（b）对于控制精度高于2μm以上的数控机床，直线电机是优先或必须的功能部件。（c）数码相机的防手抖结构・随着数码相机越来越变得高精细，防止手抖的图像对策就变得不可或