(10)授权公告号 CN 101630891 B
(45)授权公告日 2011.08.17C N 101630891 B
*CN101630891B*
(21)申请号 200810012338.3
(22)申请日 2008.07.16
H02K 33/18(2006.01)
H02K 1/34(2006.01)
G05B 19/04(2006.01)
(73)专利权人中国科学院沈阳自动化研究所
地址110016 辽宁省沈阳市东陵区南塔街
114号
(72)发明人苏刚 李洪谊
(74)专利代理机构沈阳科苑专利商标代理有限
公司 21002
代理人许宗富 周秀梅
US 6779982 B2,2004.08.24,
CN 87200807 U,1987.11.04,CN 101051786 A,2007.10.10,
CN 86204843 U,1986.12.24,(54)发明名称
一种微型直线电机及其驱动方式
(57)摘要
一种微型直线电机及其驱动方式，属于直线
电机技术领域。该电机结构包括端盖、内部铁心、
外部磁轭、线圈、线圈支架及两个磁钢，两磁钢同
极相对置于内部铁心两端，两磁钢外端分别安装
有端盖，在两端盖内，磁钢与内部铁心的外周置有
两对称的弧形磁轭，两弧型磁轭在内部铁心外周
大致成圆环型，在两弧形磁轭间形成滑道，磁轭与
内部铁心及磁轭与磁钢之间形成气隙，线圈置于
内部铁心与磁轭之间，线圈上固定有线圈支架，线
圈支架两端通过滑道穿出磁轭，线圈及线圈支架
可在磁轭间的滑道上滑动。本发明两磁钢同极相
对放置，磁路的封闭性比较好，在气隙中形成比较
均匀的磁场。本发明结构简单，适合作为微小型机
构的驱动器。
(51)Int.Cl.(56)对比文件
审查员 肖继军
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利
权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页
权 利 要 求 书
CN 101630891 B1/1页
1.一种微型直线电机，包括端盖、内部铁心、外部磁轭、线圈、线圈支架及两个磁钢，两磁钢外端分别安装有端盖，在两端盖内，磁钢与内部铁心的外周置有两对称的弧形磁轭，两弧型磁轭在内部铁心外周大致成圆环型，在两弧形磁轭间形成滑道，线圈置于内部铁心与磁轭之间，线圈上固定有线圈支架，线圈支架两端通过滑道穿出磁轭，线圈及线圈支架可在磁轭间的滑道上滑动，其中内部铁心部分和线圈部分分别为动子或定子；其特征在于：两磁钢同极相对置于内部铁心两端，磁轭与内部铁心及磁轭与磁钢之间形成气隙，端盖、磁钢、外部磁轭和内部铁心连接在一起。
2.如权利要求1所述的微型直线电机，其特征在于：所述的磁钢直径大于等于内部铁心的直径。
3.如权利要求1所述的微型直线电机，其特征在于：当磁钢直径大于内部铁心的直径时，所述磁钢为圆柱槽型结构，在所述磁钢槽壁上对称开有两个凹槽，凹槽宽度与磁轭滑道宽度相同，且安装磁钢时的凹槽位置与磁轭滑道位置相对应，为线圈支架行程末端位置。
4.如权利要求1所述的微型直线电机，其特征在于：所述的电机外径为6-10mm，电机长度为10-18mm，电机动子运动行程为2-4mm，磁钢厚度为1-4mm，磁钢凹槽深度为0-1mm，内部铁心长度为6-10mm，内部铁心直径为3-6mm，气隙厚度为0.4-1mm。
5.如权利要求1所述的微型直线电机的驱动方式，所述电机的端盖、磁钢、外部磁轭和内部铁心连接在一起构成滑块，线圈支架与外部机构相连，其特征在于包括如下运动阶段：
阶段1：滑块位于外部设备外壳的初始端，接通电机电源，滑块向终端加速运动，外壳克服外部的摩擦向初始端加速运动；
阶段2：滑块运动一段距离后改变电机电流方向，滑块开始作减速运动，此时外壳也因改变受力方向而作减速运动；
阶段3：外壳速度比滑块速度先减小到零，通过控制电机电流，使滑块与外壳之间的作用力小于外壳与环境的摩擦力，壳体保持静止，使滑块的速度逐渐减小到零；
阶段4：通过控制电机电流，控制外壳与滑块的作用力，使得外壳在外部摩擦力的作用下保持静止状态，滑块向初始端缓慢运动，直到滑块返回到相对于外壳的初始位置，开始下一个循环。
一种微型直线电机及其驱动方式
技术领域
[0001] 本发明属于直线电机技术领域，特别是涉及一种微型直线电机及其驱动方式。
背景技术
[0002] 随着机器人技术的不断发展，微型机器人已经在不断的应用于人们的生产和生活中。冲击式的驱动方式是比较适合应用于微型机器人的驱动方式之一，它要求驱动器具有体积小、输出力大和直线输出的特点。传统的采用旋转机构转变为直线运动的方式，结构复杂，不但不能保证体积的要求，而且可靠性低。利用直线电机直接驱动是比较好的解决方案，但是现有直线电机大多是针对特定应用场合设计，通用性较差：或是由于结构限制不利于微型化，或是微型化后输出力难以达到要求。而且在冲击式驱动中，采用不同的机理，也会要求驱动器具有不同的输出特性。
发明内容
[0003] 针对上述存在的技术问题，根据一种冲击式驱动的机理，本发明提供一种微型直线电机及其驱动方式，该电机在保证一定的输出力和输出特性的条件下，具有很小的体积。[0004] 本发明的电机结构，包括端盖、内部铁心、外部磁轭、线圈、线圈支架及两个磁钢，两磁钢同极相对置于内部铁心两端，两磁钢外端分别安装有端盖，在两端盖内，磁钢与内部铁心的外周置有两对称的弧形磁轭，两弧型磁轭在内部铁心外周大致成圆环型，在两弧形磁轭间形成滑道，磁轭与内部铁心及磁轭与磁钢之间形成气隙，端盖、磁钢、外部磁轭和内部铁心连接在一起；线圈置于内部铁心与磁轭之间，线圈上固定有线圈支架，线圈支架两端通过滑道穿出磁轭，线圈及线圈支架可在磁轭间的滑道上滑动，其中内部铁心部分和线圈部分分别为动子或定子。
[0005] 所述的磁钢直径大于等于内部铁心的直径。磁钢为圆柱槽型结构，当磁钢直径大于内部铁心的直径时，在所述槽壁上对称开有两个凹槽，凹槽宽度与磁轭滑道宽度相同，且安装磁钢时的凹槽位置与磁轭滑道位置相对应，为线圈支架行程末端位置。所述的电机外径为6-10mm，电机长度为10-18mm，电机动子运动行程为2-4mm，磁钢厚度为1-4mm，磁钢凹槽深度为0-1mm，内部铁心长度为6-10mm，内部铁心直径为3-6mm，气隙厚度为0.4-1mm。[0006] 本发明微型直线电机的端盖、磁钢、外部磁轭和内部铁心连接在一起构成滑块，线圈支架与外部机构相连，其驱动方式包括如下运动阶段：
[0007] 阶段1：滑块位于外部设备外壳的初始端，接通电机电源，滑块向终端加速运动，外壳克服外部的摩擦向初始端加速运动；
[0008] 阶段2：滑块运动一段距离后改变电机电流方向，滑块开始作减速运动，此时外壳也因改变受力方向而作减速运动；
[0009] 阶段3：外壳速度比滑块速度先减小到零，通过控制电机电流，使滑块与外壳之间的作用力小于外壳与环境的摩擦力，壳体保持静止，使滑块的速度逐渐减小到零；[0010] 阶段4：通过控制电机电流，控制外壳与滑块的作用力，使的外壳在外部摩擦力的
作用下保持静止状态，，滑块向初始端缓慢运动，直到滑块返回到相对于外壳的初始位置，开始下一个循环。
[0011] 本发明具有如下优点：
[0012] 1.本发明将两块磁钢同极相对放置，内部铁心和外部磁轭磁化后等效为磁铁的两级，磁路的封闭性比较好，在气隙中形成比较理想的磁场。
[0013] 2.磁钢直径可以大于或等于铁心直径，当安装不同直径的铁心时，可以得到不同的输出特性；磁钢直径大于铁心直径时，磁钢所形成的侧极使得主极磁钢在铁心边缘的磁漏降低，增加了气隙磁通密度。
[0014] 3.线圈及其线圈支架部分和内部铁心、磁钢及磁轭部分可以分别作为定子，分别用于需要大惯性和小惯性的场合。
[0015] 4.本发明电机结构简单、小巧，构思新颖，易于小型化，适合作为微小型机构的驱动器。
[0016] 5.采用本发明直线电机的结构，则可以省去中间的转化机构，提高设备的可靠性和效率。
附图说明
[0017] 图1为本发明的装配示意图。
[0018] 图2为本发明剖视示意图。
[0019] 图3为图2的A-A剖视图。
[0020] 图4为本发明磁钢结构示意图。
[0021] 图5为图4的左视图。
[0022] 图6为本发明线圈支架结构示意图。
[0023] 图7为图6的侧视局部剖视示意图。
[0024] 图8为本发明端盖结构示意图。
[0025] 图9为图8左视图。
[0026] 图10为本发明电机驱动过程示意图。
具体实施方式
[0027] 下面结合实施例及附图详细说明本发明。
[0028] 实施例1：如图1--图3所示，本发明包括端盖1、内部铁心6、外部磁轭3、线圈5、线圈支架4及两个磁钢2，两磁钢2同极相对置于内部铁心6两端，两磁钢2外端分别安装有端盖1，在两端盖1内，磁钢2与内部铁心6的外周置有两对称的弧形磁轭3，两弧形磁轭3间形成滑道11，两弧型磁轭3在铁心6外周大致成圆环型，磁轭3与内部铁心6及磁轭3与磁钢2之间形成气隙，线圈5置于内部铁心6与磁轭2之间，线圈5上固定有线圈支架4，线圈支架4通过滑道11穿出磁轭3，线圈支架4可在磁轭3的滑道11上滑动。
[0029] 本发明的端盖1、磁钢2、外部磁轭3和内部铁心6连接在一起，线圈支架4和线圈5固定在一起，这两部分可分别作为定子和动子，可以互换。本发明将线圈5及其线圈支架4作为定子，内部铁心6、磁钢2及磁轭3作为动子时，电机的质量大部分集中在动子上，由于动子具有较大的惯力，适合于利用冲击式驱动的微型机构。反之，将线圈5及其线圈支架
4作为动子，内部铁心6、磁钢2及磁轭3作为定子时，动子惯性小，适合于一般要求具有较快响应速度的场合。工作时当线圈5中通一定频率的电流时，在电机动子和定子之间将产生一个随电流方向变化的力，因此动子将以与电源相同的频率进往复的运动，驱动负载。[0030] 如图6、图7所示，为本例线圈支架4的结构示意图。线圈支架4为带有两个伸出端9的圆环型结构，其可带动线圈5在滑道11内沿内部铁心6滑动。通过两伸出端9与外部其它器件连接，起到固定或输出动力的作用，并可同时起到通气、散热和减小空气阻尼的效果。
[0031] 如图4、图5所示，本例的磁钢2为圆柱槽型结构，在所述槽壁7上对称开有两个凹槽8，凹槽8宽度与磁轭3滑道宽度相同，且安装磁钢2时的凹槽8位置与磁轭3滑道位置相对应，两侧的凹槽8为线圈支架4行程末端位置。磁钢2直径大于内部铁心6的直径，其中凹槽8与内部铁心6相配合，作为主磁极，而突起的槽壁7部分作为侧极，减少了与铁心等径部分的主极磁钢的漏磁，并且主极与侧极磁势相互叠加，进一步增大了磁通密度，使线圈5能够与侧极9向接触，在行程范围内产生了两端磁密较大，中间磁密比较均匀的磁场，因此输出力也是在两端比较大而中间部分比较平稳。
[0032] 如图8、图9所示，为本例的端盖1结构示意图。端盖1结构与磁钢2和磁轭3相连接处结构相配合，使电机形成一体。
[0033] 本例中电机的外径为10mm，总体长度为18mm，动子的运动行程为4mm，磁钢厚度4mm，磁钢凹槽深度为1mm，内部铁心长度为10mm，内部铁心直径为6mm，气隙厚度为1mm。[0034] 本发明工作原理是：利用磁钢2在气隙10产生垂直于内部铁心6表面的磁场。该磁场的方向与线圈5中电流的方向相垂直。当线圈5中通有直流电时，线圈5将受到一个沿轴向的力，内部铁心6及磁轭3等部分受到反作用力，产生相对运动，线圈5将在内部铁心6的表面向着一极滑动。当改变电流的方向时，线圈5的受力反向，则改变运动方向。通过外部电路控制电流方向即可控制电机的正反向运动，可实现电机的振荡运动，还可以通过控制外加电压的大小和频率来控制振动的频率和振幅。当作为驱动电机使用时，改变电压则可以改变电机的输出力。
[0035] 实施例2：如图1--图3所示，本发明包括端盖1、内部铁心6、外部磁轭3、线圈5、线圈支架4及两个磁钢2，两磁钢2同极相对置于内部铁心6两端，两磁钢2外端分别安装有端盖1，在两端盖1内，磁钢2与内部铁心6的外周置有两对称的弧形磁轭3，两弧形磁轭3间形成滑道11，两弧型磁轭3在铁心6外周大致成圆环型，磁轭3与内部铁心6及磁轭3与磁钢2之间形成气隙，端盖1、磁钢2、外部磁轭3和内部铁心6连接在一起；线圈5置于内部铁心6与磁轭2之间，线圈5上固定有线圈支架4，线圈支架4通过滑道11穿出磁轭3，线圈支架4可在磁轭3的滑道11上滑动。
[0036] 本例中磁钢2直径等于铁心6的直径，本例的磁钢2为圆柱型结构，此时电机内部的磁场在整个行程中分布比较均匀，因此也比较容易得到较平稳的输出力。适用于一般的要求输出力具有平稳特性的场合。本例的其它零件结构均与实施例1相同。电机参数如下：电机外径为6mm，总体长度为10mm，动子的运动行程为2mm，磁钢厚度为1mm，内部铁心长度为6mm，内部铁心直径为3mm，气隙厚度为0.4mm。
[0037] 实施例3：本例电机结构与实施例1相同，磁钢2直径大于铁心6的直径，电机参数如下：电机外径为8mm，总体长度为14mm，动子的运动行程为3mm，磁钢厚度为2.5mm，磁钢
凹槽深度为0.5mm，内部铁心长度为8mm，内部铁心直径为5mm，气隙厚度0.7mm。
[0038] 采用本发明的微型直线电机驱动机器人，如图10所示，其中所述电机的端盖1、磁钢2、外部磁轭3和内部铁心6连接在一起构成滑块12，该电机的驱动方式包括如下运动阶段：
[0039] 阶段1：滑块12位于机器人外壳13的初始端，接通电机电源，滑块12与外壳13间产生作用力，滑块12向终端加速运动，外壳13受到反作用力，向初始端加速运动；[0040] 阶段2.滑块12运动一段距离后改变电机电流方向，从而改变电机内力的方向，使滑块12开始作减速运动，此时外壳13也因改变受力方向而作减速运动；
[0041] 阶段3.由于外部摩擦的存在，外壳速度比滑块12速度先减小到零，此时相对于起始位置外壳13已经向前移动了一段距离，通过控制电机电流，使滑块12与外壳13之间的作用力小于外壳13与环境的摩擦力，保持外壳13的静止，使滑块12的速度逐渐减小到零；[0042] 阶段4.通过控制电机电流，控制外壳13与滑块12的作用力，使滑块12向初始端缓慢的运动，而使外壳13在外部摩擦力的作用下保持静止状态，直到滑块12返回初始位置，开始下一个循环。
图1
图2
图
3
图
4
图5
图
6图
7
图
8
图9
图10
直线电机基础 编辑本段直线电机也称线性电机，线性马达，直线马达 在实际工业应用中的稳定增长,证明直线电机可以放心的使用。下面简单介绍直线电机类型和他们与旋转电机的不同. 最常用的直线电机类型是平板式和U 型槽式,和管式。线圈的典型组成是三相,有霍尔元件实现无刷换相.图示直线电机用HALL换相的相序和相电流. 该图直线电机明确显示动子(forcer, rotor)的内部绕组.磁鉄和磁轨.动子是用环氧材料把线圈压成的。而且,磁轨是把磁铁固定在钢上。 直线电机在过去的10年,经实践上引人注目的增长和工业应用的显著受益才真正成熟。 直线电机经常简单描述为旋转电机被展平，而工作原理相同。动子（forcer, rotor) 是用环氧材料把线圈压缩在一起制成的.而且,磁轨是把磁铁（通常是高能量的稀土磁铁）固定在钢上.电机的动子包括线圈绕组，霍尔元件电路板，电热调节器（温度传感器监控温度）和电子接口。在旋转电机中，动子和定子需要旋转轴承支撑动子以保证相对运动部分的气隙（air gap）。同样的，直线电机需要直线导轨来保持动子在磁轨产生的磁场中的位置。和旋转伺服电机的编码器安装在轴上反馈位置一样，直线电机需要反馈直线位置的反馈装置--直线编码器，它可以直接测量负载的位置从而提高负载的位置精度。 直线电机的控制和旋转电机一样。象无刷旋转电机，动子和定子无机械连接（无刷），不象旋转电机的方面，动子旋转和定子位置保持固定，直线电机系统可以是磁轨动或推力线圈动（大部分定位系统应用是磁轨固定，推力线圈动）。用推力线圈运动的电机，推力线圈的重量和负载比很小。然而，需要高柔性线缆及其管理系统。用磁轨运动的电机，不仅要承受负载，还要承受磁轨质量，但无需线缆管理系统。 相似的机电原理用在直线和旋转电机上。相同的电磁力在旋转电机上产生力矩在直线电机产生直线推力作用。因此，直线电机使用和旋转电机相同的控制和可编程配置。直线电机的形状可以是平板式和U 型槽式,和管式.哪种构造最适合要看实际应用的规格要求和工作环境。 编辑本段圆柱形动磁体直线电机 圆柱形动磁体直线电机动子是圆柱形结构。沿固定着磁场的圆柱体运动。这种电机是最初发现的商业应用但是不能使用于要求节省空间的平板式和U 型槽式直线电机的场合。圆柱形动磁体直线电机的磁路与动磁执行器相似。区别在于线圈可以复制以增加行程。典型的线圈绕组是三相组成
直线电机主要应用于三个方面： 一是应用于自动控制系统，这类应用场合比较多； 二是作为长期连续运行的驱动电机； 三是应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。 在实际工业应用中的稳定增长,证明直线电机可以放心的使用。 本期讨论直线电机的运用 Linear motor: 直线伺服电机应用 昆山佳德锐自动化系统销售中心 交流论坛： www.hilife.me 工业之美
什么是直线电机特点 1.什么是直线电机 直线电动机（或称线性马达）（Linear motor）是电动机的一种，其原理与传统的电动机不同，直线电机是直接把输入电力转化为线性动能，与传统的扭力及旋转动能不同。直线电机又分为低加速及高加速两大类，当中低加速直线电机适用于磁悬浮列车及 其他地面交通工具，而高加速直线电机能把物件在短时间内加至极高速度，适用于粒子 加速器、制造武器等。2.直线电机是如何工作的 下面简单介绍直线电机类型 和他们与旋转电机的不同，最 常用的直线电机类型是平板式， U型槽式和管式。线圈的典型组 成是三相，有霍尔元件实现无刷 换相，直线电机用HALL换相的 相序和相电流。 直线电机经常简单描述为旋转电机被展平，而工作原理相同。动子（forcer,rotor) 是用环氧材料把线圈压缩在一起制成的，而且磁轨是把磁铁（通常是高能量的稀土磁铁）固 定在钢上.电机的动子包括线圈绕组，霍尔元件电路板，电热调节器（温度传感器监控温度） 和电子接口。在旋转电机中，动子和定子需要旋转轴承支撑动子以保证相对运动部分的气隙 （airgap）。同样的，直线电机需要直线导轨来保持动子在磁轨产生的磁场中的位置。和旋 转伺服电机的编码器安装在轴上反馈位置一样，直线电机需要反馈直线位置的反馈装置--直 线编码器，它可以直接测量负载的位置从而提高负载的位置精度。 3.直线电机分类 管状直线电机 圆柱形动磁体直线电机的磁路与动磁执行器相似。区别在于线圈可以复制以 增加行程。典型的线圈绕组是三相组成的，使用霍尔装置实现无刷换相。推力 线圈是圆柱形的，沿磁棒上下运动。 U型直线电机 U型槽式直线电机有两个介于金属板之间且都对着线圈动子的平行磁轨。动子由导轨系统 支撑在两磁轨中间。动子是非钢的，意味着无吸力且在磁轨和推力线圈之间无干扰力产生。 非钢线圈装配具有惯量小，允许非常高的加速度。线圈一般是三相的，无刷换相。可以用空 气冷却法冷却电机来获得性能的增强。也有采用水冷方式的。这种设计可以较好地减少磁通 泄露因为磁体面对面安装在U形导槽里。这种设计也最小化了强大的磁力吸引带来的伤害 平板直线电机 有三种类型的平板式直线电机（均为无刷）：无槽无铁芯，无槽有铁芯和有槽有铁芯。选 择时需要根据对应用要求的理解。无槽无铁芯平板电机是一系列coils安装在一个铝板上。由 于FOCER没有铁芯，电机没有吸力和接头效应（与U形槽电机同）。该设计在一定某些应用中有 助于延长轴承寿命。动子可以从上面或侧面安装以适合大多数应用。这种电机对要求控制速度 平稳的应用是理想的。如扫描应用，但是平板磁轨设计产生的推力输出最低。通常，平板磁轨 具有高的磁通泄露。 无槽有铁芯：无槽有铁芯平板电机结构上和无槽无铁芯电机相似。除了铁芯安装在钢叠片 结构然后再安装到铝背板上，铁叠片结构用在指引磁场和增加推力。磁轨和动子之间产生的吸 力和电机产生的推力成正比，迭片结构导致接头力产生。 无槽有铁芯：这种类型的直线电机，铁心线圈被放进一个钢结构里以产生铁芯线圈单元。 铁芯有效增强电机的推力输出通过聚焦线圈产生的磁场。铁芯电枢和磁轨之间强大的吸引力可 以被预先用作气浮轴承系统的预加载荷。这些力会增加轴承的磨损，磁铁的相位差可减少接头力。 加工产品对比
(10)授权公告号 CN 101630891 B (45)授权公告日 2011.08.17C N 101630891 B *CN101630891B* (21)申请号 200810012338.3 (22)申请日 2008.07.16 H02K 33/18(2006.01) H02K 1/34(2006.01) G05B 19/04(2006.01) (73)专利权人中国科学院沈阳自动化研究所 地址110016 辽宁省沈阳市东陵区南塔街 114号 (72)发明人苏刚 李洪谊 (74)专利代理机构沈阳科苑专利商标代理有限 公司 21002 代理人许宗富 周秀梅 US 6779982 B2,2004.08.24, CN 87200807 U,1987.11.04,CN 101051786 A,2007.10.10, CN 86204843 U,1986.12.24,(54)发明名称 一种微型直线电机及其驱动方式 (57)摘要 一种微型直线电机及其驱动方式，属于直线 电机技术领域。该电机结构包括端盖、内部铁心、 外部磁轭、线圈、线圈支架及两个磁钢，两磁钢同 极相对置于内部铁心两端，两磁钢外端分别安装 有端盖，在两端盖内，磁钢与内部铁心的外周置有 两对称的弧形磁轭，两弧型磁轭在内部铁心外周 大致成圆环型，在两弧形磁轭间形成滑道，磁轭与 内部铁心及磁轭与磁钢之间形成气隙，线圈置于 内部铁心与磁轭之间，线圈上固定有线圈支架，线 圈支架两端通过滑道穿出磁轭，线圈及线圈支架 可在磁轭间的滑道上滑动。本发明两磁钢同极相 对放置，磁路的封闭性比较好，在气隙中形成比较 均匀的磁场。本发明结构简单，适合作为微小型机 构的驱动器。 (51)Int.Cl.(56)对比文件 审查员 肖继军 (19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页
第30卷 第5期 2008年5月 武 汉 理 工 大 学 学 报 JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.30 No.5 May.2008 精密气浮直线电机结构动力学建模与分析 陈学东1,2,谢德东1,何学明1,姜 伟1,张玲莉3 (1.华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室,武汉430074;2.郑州轻工业学院,郑州450002; 3.天津城建学院高职学院,天津300381) 摘 要: 高分辨率步进扫描投影光刻机中掩模台长行程直线电机采用气浮轴承支撑实现亚微米级定位的高速高精运动。考虑精密气浮直线电机结构中气固耦合对直线电机运动精度可能产生的影响,用拉格朗日方法建立了精密直线电机12个自由度的动力学模型。仿真计算结果和模态试验结果的主要模态偏差均小于5%,且识别出该系统中气浮轴承在平衡位置附近的线性化刚度。仿真计算和模态试验相结合建立的高精密直线电机动力学模型是正确有效的。关键词: 精密直线电机; 气固耦合; 动力学模型; 仿真; 模态试验中图分类号: TM 302 文献标识码: A 文章编号:167124431(2008)0520117205 Structure Dynamic Modeling and Analysis of Precision Linear Motor with Air 2bearings CH EN X ue 2dong 1,2,X I E De 2dong 1,H E X ue 2m i ng 1,J IA N G Wei 1,ZHA N G L i ng 2li 3 (1.State K ey Laboratory of Digital Manufacturing Equipment &Technology ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China ;2.Zhengzhou University of Light Industry ,Zhengzhou 450002,China ; 3.Tianjin Institute of Urban Construction ,Tianjin 300381,China ) Abstract : The long stroke linear motor of reticle stage in high 2resolution step &scan projection 2lithography machine utilizes the air 2bearings to achieve high 2speed and high 2precision motion with submicron positioning accuracy.With respect to the effect of the characteristic of gas 2solid couple on motion accuracy of the linear motor ,this paper establishes a 122DOF dynamic model with of the precision linear motor by Lagrange Equations.The main mode deviation between the simulation results and modal experiment results is 5%below.The linear stiffness of the air 2bearing is also identified at the equilibrium position.The estab 2lished dynamic model of the high precision linear motor is accurate and applicable to the real structure experimental results.K ey w ords : precision linear motor ; gas 2solid coupling ; dynamic model ; simulation ; modal experiments 收稿日期:2008201210. 基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(973计划)(2003CB716206);国家自然科学基金项目(50605025)和湖北省杰出人才创新基金项目. 作者简介:陈学东(19632),男,教授.E 2mail :chenxd @https://www.doczj.com/doc/469980040.html, 亚微米甚至纳米级定位精度的高性能精密定位工作台广泛应用于半导体光刻、微型机械、超精密加工等 领域。上述超精密定位工作台的驱动部件大多和工作台做成一个整体进行直接驱动,按实现方式可分为直线电机式、电磁式、压电式以及摩擦驱动式工作台[124]。其中采用气浮支承的直线电机式工作台可同时实现高速大行程运动和超精密定位,在超精密加工领域有着重要的应用。如ASML 公司推出的采用精密直线电机粗动和平面电机微动的气浮定位平台———PAS5500/1100步进扫描平台,最大行程超过300mm ,速度高达1m/s ,定位精度达10nm 。而国内研究精密定位工作台的单位如中国科学院光电技术研究所、上海光机所等[5],虽然也采用气浮工作台,但其行程小,速度和定位精度较低,明显落后于国外的研究水平。 采用气浮支承的直线电机,其动子通过气浮轴承浮于定子上实现大范围运动,其开环定位精度一般可达
页脚内容 直线电机驱动是驱动做直线运动物体最完美方式 一，直线电机篇 二，直线电机控制篇 三，轨道结构篇 一，直线电机篇 首先跟大家讲直线电机，直线电机与旋转电机原理是一样的，将旋转电机沿轴向剖开拉直就是直线电机了，也分动子和定子，它是直驱扭力电机。大家知道磁悬浮列车吧，首先通过磁力将列车悬浮空中，要运动怎么办呢，摩擦力了，2，直线电机控制更难。 下面图片是直线电机定子 电磁线圈骨架采用防火材料注塑而成，确保跨线圈之间无导线连接点。悬浮电动企业还无法做到的。 夕钢导磁铁芯因投入巨大，所以目前全球，这就是为什么我们的直线电机很小使用这么小的电机带动同等重量门的原因，因压（高压 确保电机在可控安全温 感慨：国外品牌的一些企业凭借良好的基础在中国形成了好的口碑和品牌。但由于国外品牌的后续研发乏力很多技术方面已跟不上时代的步伐。随着国人的奋起直追，很多方面已超越国外品牌的产品，目前我公司直线电机生产技术，已远远超过国外，国外连直线电机的基本原理技术都无法做到优良，拿一些试制产品凭借自己的品牌来中国以高价忽悠国人，但偏偏有人相信、有人崇拜并不断怀疑国人的能力，请大家凭自己的智慧好好想吧！ 二，直线电机控制篇 三种不同直线电机相对应的直线电机驱动控制系统，是指挥控制直线电机出力推动门体按规划运行曲线运动的核心大脑。门体运行的流畅性、稳定性、可靠性、安全性以及所有人性化功能的实现，全部核心控制芯片完成。由于直线电机的特性原因，目前对直线电机的控制提出更高的要求，也是目前世界上控制难度最大的电机，这也是为什么目前直线电机控制技术达不到普及的原因。传
页脚内容 统的电机控制技术远远满足不了，直线电机的控制要求，要满足直线电机控制的几个要素极其苛刻。要想做到直线电机应用于自动门行业，必须在几个领域实现突破，否则就是个实验品无法大规模推广。我公司经过十四年长期不懈的研究，全面系统的解决了直线电机控制的所有难点、痛点，成为磁悬浮自动门控制的佼佼者。 1.直线电机要实现完美控制，首先要针对特定直线电机建立完美的控制模型，而对直线电机的精准建模是一个复杂的系统工程。建立了完美的控制模型才能控制门体按预先设置的运行曲线做完美运动，保障门体运动的流畅性，如果不建立直线电机模型在控制上叫做瞎子摸象，是不可能达到随心所欲的完美运行曲线。只能按打补丁的办法勉强保持门体的一种运动及功能的实现，这也就是说我们的门体运动到位时速度可以控制到零，并且能保持速度均匀下降。即使门快关到位时小孩的手不慎插入其中也不会受任何伤害，从而确保了运行的安全性，这也是传统自动门一种无法比拟的控制技术，非直线电机建模的磁悬浮自动门也是无法做到，到位时将速度控制为零。当门体到位时 2.直线电机要实现完美控制，用，这也是目前制约磁悬浮自动门发展的一个重要原因。低成本的线性霍尔的反馈问题，控制精度可达到 3.直线电机要实现完美控制，制均采用方波控制或变频控制，矢量控制。常复杂，该项高
直线电机位置控制算法及仿真 1 绪论 1.1 研究背景及意义 随着工业机械自动化程度的不断升级，有力的带动了上游直线电机在中国的快速成长，国外品牌纷纷加大对中国市场的投入力度，永磁同步直线电机是一种将电能直接转化是动能的转化装置,省去了中间的转换机构,消除了机械转动链的影响,具有速度快,推力大,精度高等诸多优点,因此，广泛应用于精密和高速运行等领域。但是永磁同步直线电机是一个典型的非线性多变量系统，许多非线性因素的存在都会影响到永磁同步直线电机系统的控制性能，如没有知的负载和摩擦等。传统的PID控制方法已经不能满足于永磁机电动机的高精度场合，因此如何设计高性能的直线电机位置控制算法一直以来都是控制领域的热点问题之一。 因此，在传统PID控制方式下，针对多变量、非线性、强耦合的永磁同步直线电机系统设计了一种滑模位置控制器，弥补了常规PID控制跟踪精度不高的缺点。滑模控制具有控制精度高、抗干扰能力强、适用范围广的等优点，因此滑模控制方法已经成是永磁同步直线电机领域重点关注问题，相关研究人员对此进行了深入研究。 1.2 国内外研究现状 直线电机的研究现状 1840年Wheatsone开始提出与制作了略具雏形的直线电机。从那时至今，在160多年的历史记载中，直线电机经历了三个时期。 1840-1955年是探索实验时期： 从1840年到1955年的116年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。自从Wheatsone提出和试制了直线电机以后，最早明确的提到直线电机文章的是1890年美国匹兹堡市的市长，在
他写的一篇文章中，首先明确的提到了直线电机以及它的专利。然而，由于当时的制造技术、工程材料以及控制技术的水平，在经过断断续续20多年的顽强努力后，最终却没有能获得成功。 至1905年，曾有两人分别建议将直线电动机作为火车的推进机构，一种建议是将初级放在轨道上，另一种建议是将初级放在车辆底部。这些建议无疑是给当时直线电机研究领域的科研人员的一剂兴奋剂，以致许多国家的科研人员都投入了这些研究工作。1917年出现了第一台圆筒形直线电动机，事实上那是一种具有换接初级线圈的直流磁阻电动机，人们试图把它作是导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶段。 至此，从1930-1940年期间，直线电机进入了实验研究阶段，在这个阶段中，科研人员获驭了大量的实验数据，从而对已有理论有了更深一层的认识，奠定了直线电机在今后的应用基础。 从1940-1955年期间世界一些发达国家科研人员，在实验的基础上，又进行了一些实验应用工作。1945年，美国西屋电气公司首先研制成功的电力牵引飞机弹射器，它以7400kW的直线电动机是动力，成功的用4.1s的时间将一架重4535kg的喷气式飞机在165m的行程内由静止加速的188km/h的速度，它的试验成功，使直线电动机可靠性好等的优点受到了应有的重视，随后，美国利用直线电机制成的、用作抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵，是的是核动力中的需要。1954年，英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电机制成了发射导弹的装置，其速度可达1600km/h。在这个阶段中，尤需值得一提的是，直线电机作是高速列车的驱动装置得到了各国的高度重视并计划予以实施。 在1840-1955年期间，是直线电机探索实验和部分实验应用时期，在直线电机与旋转电机的相互竞争中，由于直线电机的成本和效率方面没有能够战胜旋转电机，或者说，直线电机还没能找到它的专属领域，以及直线电机在设计方面也没有突破性的成功，所以直线电机在这一时期始终没有能得到有效的推广。 1956-1970年是开发应用时期： 自1955年以来，直线电机进入了全面的开发阶段，特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展，更加助长了这种势头。在这段时期，申请直线机的专利件数也开始急速增加，该时期直线电机专利的增长率超过了所有其他技术领域的平
《数控技术》大作业二 1．综述 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。其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，当初级通入电流后，在初次级线圈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。 直线电机的工作原理设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应图电动机。 初级做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动．通入交流电后在定子中产生的磁通，根据楞次定律，在动体的金属板上感应出涡流。设产生涡流的感应电压为E，金属板上有电感L和电阻R，涡流电流和磁通密度将（费来明法则）产生连续的推力F。 2．工作原理 直线电动机的初级三相绕组通入三相交流电后，就会在气隙中产生一个沿直线移动的正弦波磁场，其移动方向由三相交流电的相序决定，如图所示。显然该行波磁场的移动速度与普通电机旋转磁场在定子内圆表面的线速度相等。 行波磁场切割次级上的导体后，在导体中感应出电动势和电流，该电流与气隙磁场作用，在次级中产生电磁力，驱动次级沿着行波磁场移动的方向作直线运行，或者利用反作用力驱动初级朝相反的方向运动。如果改变直线电动机初级绕组的通电相序，即可改变电动机的运行方向。因此直线电动机可实现往返直线运动。 3．直线电机的特点 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中问任何转换装置的新颖电机，它具有系统结构简单、磨损少、噪声低、组合性强、维护方便等优点。旋转电机所具有的品种，直线电机几乎都有相对应的品种，其应用范围正在不断扩大，并在一些它所能独特发挥作用的地方取得了令人满意的效果。 直线感应电动机的特点是：结构简单，维护方便；散热条件好，额定值高；适宜于高速运行；能承担特殊任务，如液态金属的运输、加工等。其缺点是气隙大，功率因数低，力能指标差，低速运行时需采用低频电源，使控制装置复杂。 4．直线电机的应用
直线电机的结构及工作原理 来源：本站整理作者：佚名2010年02月25日 17:43 分享 订阅 [导读]直线电机的结构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。其中定子相 关键词：直线电机 直线电机的结构 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。其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，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。 直线电机的工作原理 设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应图电动机。 初级做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动． 通入交流电后在定子中产生的磁通，根据楞次定律，在动体的金属板上感应出涡流。设引起涡流的感应电压为E，金属板上有电感L和电阻R，涡流电流和磁通密度将按费来明法则产生连续的推力F。 直线电机的特点 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。 位精度高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。 动安静、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。 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。 直线电机的应用 直线电机主要应用于三个方面： 应用于自动控制系统，这类应用场合比较多； 作为长期连续运行的驱动电机； 应用在需要短时间、短距离内提供巨大的直线运动能的装置中。 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20G，速度达到10-30m/s，低速1μm/s时运动平滑，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。
直线电机的使用与维护 概述 直线电机也称线性电机，线性马达，直线马达，推杆马达。最常用的直线电机类型是平板式和U 型槽式，和管式。线圈的典型组成是三相，有霍尔元件实现无刷换。 工作原理 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。 由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，以直线感应电动机为例：当初级绕组通入交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。直线电机的驱动控制技术一个直线电机应用系统不仅要有性能良好的直线电机，还必须具有能在安全可靠的条件下实现技术与经济要求的控制系统。随着自动控制技术与微计算机技术的发展，直线电机的控制方法越来越多。 对直线电机控制技术的研究基本上可以分为三个方面：一是
传统控制技术，二是现代控制技术，三是智能控制技术。传统的控制技术如PID反馈控制、解耦控制等在交流伺服系统中得到了广泛的应用。其中PID控制蕴涵动态控制过程中的信息，具有较强的鲁棒性，是交流伺服电机驱动系统中最基本的控制方式。为了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技术。在对象模型确定、不变化且是线性的以及操作条件、运行环境是确定不变的条件下，采用传统控制技术是简单有效的。但是在高精度微进给的高性能场合，就必须考虑对象结构与参数的变化。各种非线性的影响，运行环境的改变及环境干扰等时变和不确定因素，才能得到满意的控制效果。因此，现代控制技术在直线伺服电机控制的研究中引起了很大的重视。常用控制方法有：自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制及智能控制。主要是将模糊逻辑、神经网络与PID、H∞控制等现有的成熟的控制方法相结合，取长补短，以获得更好的控制性能。 应用 直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求，在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制系统的要求，为此，世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机的应用领域越来越广。 直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：一是
基于MATLAB的直线电机PID控制器设计 摘要 随着现代工业的飞快发展，控制对象日益复杂，对其的性能控制要求也不断提高，致使人们寻找更好的控制方法，其中以改进PID控制最为典型。PID控制器具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，是目前最稳定的控制方法之一。它所涉及的参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。 直线电机是近年来国内外积极研究发展的新型电机之一，凭借自身的特性在以直线运动的工业控制中，有比旋转电机巨大的优越性。可广泛应用于交通运输、起重搬运、物流传输装置、国防及煤矿运输、车床进给等方面，发展前景十分广阔。 传统的比例积分微分( PID) 控制器参数往往因整定不良、性能欠佳,对运行状况的适应性很差。简单的控制又不能很好地适应对象系统特性变化时的最佳控制要求。因此，鉴于控制方法目前仍有广泛应用，对参数整定方法的研究将具有很好的应用价值。本文根据稳定边界法则及Ziegler-Nichol算法,以直线电机控制模型为例介绍如何在MATLAB 工具帮助下整定并验证PID 控制器参数，使参数的整定变得简单、易行，使整定效果更优化。 关键词:直线电机PID控制 MATLAB 控制系统参数整定系统仿真
Abstract: With the fast development of modern industry, more complicated control object, its performance control requirements improve continuously, cause people looking for better control method, which to improve PID control is the most typical example. The PID (Proportional-Integral-Derivative) control is one of the most common control methods at present. Its structure is simple and easy to implement, however, the control effect is perfect and it has a strong robust characteristics. The physical parameters is, meaning of ,theoretical analysis of system is integrity, and it is familiar by the engineering sector, which in the industrial process control has been widely used. Linear motor is one of the studied new motor. Because of its peculiarity, the linear motor performed better than rotary motor in the control systems when the moving route is linear. Its application range extends widely and widely. And it has been applied in many fields. However, the traditional parameter adaptability of proportion-integral-differential (PID) controller to the operating situation is very bad sometimes because the reduction and performance isn't good. Simple control and can't well adapt to changes in the system characteristics of the object of optimal control requirements. Therefore, in view of the control method is currently there are still widely used, to the study of the method of parameter setting will have a good application value. According to the stable boundary principle and Ziegler-Nichol algorithm, this paper introduces how to reduce and validate the PID controller parameter with the help of MATLAB tool taking the linear motor control model as an example. Making the parameters set becomes simple, easy to operate, and make the setting effect more optimization. Key words：Linear motor,PID control, Matlab, Control system, Parameters setting, System simulation
直线电机驱动技术 直线电动机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起“直线电动机热”。 在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电动机传动的最大区别是取消了从电动机到工作台（拖板）之间的一切机械中间传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。这种传动方式被称为“零传动”。正由于这种“零传动”方式，带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和一定优点。 （1）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。 （2）精度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的跟踪误差。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。 （3）动刚度高由于“直接驱动”，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、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。 （4）速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述零传动的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达（2～10）g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度只有（0.1～0.5） （5）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。
（6）动安静、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。 （7）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。科尔摩根PLATINNM DDL系列直线电机和SERVOSTAR CD系列数字伺服放大器构成一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的刚度、高的定位精度和平滑的无差运动。
基于DSP 的精密直线驱动伺服单元 清华大学 周惠兴 王先逵 摘要 介绍了用于椭圆活塞数控车削用的直线伺服机构及该机构与DSP 处理器构成的直线伺服单元。给出了该伺服单元的应用实例。 关键词 直线驱动 椭圆活塞 DSP 处理器 1 引言 直线伺服单元是指由直接驱动直线电机和伺服驱动器构成的可控的执行机构。类似于交流或直流伺服 单元,加上一控制板和相应的控制软件,即可构成直线伺服进给系统。与旋转电机和丝杠螺母构成的直线进给系统相比,它无背隙、机械摩擦小、易控制、易实现高速运动。小功率直线电机已经在磁盘驱动器、精密仪器仪表等场合得到广泛应用;对于机床的进给驱动,由于受到直线电机推力、结构和控制等方面因素的限制,其应用还不多见。本文介绍的直线伺服单元是针对椭圆活塞的数控车削而设计的,在活塞进行数控车削时要求刀具在工件的径向作快速运动,以跟踪复杂的活塞型面。为提高跟踪的速度和精度,一方面必须研制新型的高速精密直线伺服进给机构[1][2] ,另一方面必须采用新型的控制算法和高速处理器。 2 直线伺服电机结构 活塞径向尺寸的变化通常小于1mm ,因此对用于活塞数控车削的直线伺服执行机构其可控是大行程可定为1m m 。基本结构可采用电磁式位移机构和动圈式结构,动圈式直线电机结构简单、控制方便。图1给出 了单线圈单气隙电机磁路的结构。对于径向充磁的磁路,可采用圆柱型结构,环形磁体漏磁小, 线圈利用率图1 单线圈单气隙结构 高,但制造成本也高;轴向充磁的磁路成本最低,它对设计和安装有更高的要求。单线圈单气隙磁路结构的直线电机,其推力 常数一般设计在小于30N /A ,最大推力小于350N 。 对于大推力场合,单线圈结构已不能满足要求,否则径向尺寸会很大。笔者在一般简单轴径向磁路结构 的基础上,研究开发了多气隙多磁体的组合驱动结构。对于两组合的磁路如图2所示。其推力常数一般可做到单结构磁路的两倍或更高,而径向尺寸不变,这对电机在车床上的安装十分有利。这种结构其推力常数可达到100N /A ,最大推力大于1000N ,它适合于数控车削活塞靠模、 非圆加工和驱动精密工作台。 图2 组合磁路结构 3 DSP 控制的伺服单元 3.1 DSP 及其控制器 DSP (Digiral Signal Pr ocessor )是一适合于对数字信号进行处理的高速处理器,为提高速度,其内部采用了并行处理的多总线结构,一条32位数的乘加指令,其执行周期均为纳秒级。DSP 最初是用于通讯和语音处理,但在控制方面也得到了广泛的应用。国外高性能的交直流伺服系统,除采用一些专用芯片外,大量采用DSP 处理器作为控制部件。目前在国内使用较多的是美国德州仪器公司的TI 系列DSP 处理器和AD 公司的ADSP 系列DSP 处理器。对于在80年代晚期出现的第三代产品T M S320C30处理器。其主要特性为:(1)具有60ns 单周期指令时间;(2)定点操作16.7M IPS ,浮点33.3M /S ;(3)32位数据总线、24位地址总线;4k 字在片ROM 、2k 字在片RAM 、64字在片Cache;(4)32为定点和40位浮点乘法器;(5)大部分指令为单周期,且支持二和三操作数指令。从上面的 简介,可以了解到DSP 的高速特性。 设数控车削铝合金椭圆活塞时,其主轴转速为v ,假设主轴每转采样n 点,则要求的采样周期为 T =6×107 n 1024v ( s) (1) ? 23?1998年第1期 国家自然科学研究基金资助项目,项目号59675066。
GTHD带直线电机的调试方法 GTHD参数设置和 调试流程.pdf
驱动器：GTHD-XXX-2A-AP-1-LM（LM表示直线电机，Linear motor）一定要选用支持直线电机的驱动 光栅尺：分辨率1um A+B无霍尔信号 电机：以划红线参数为例 1 通过驱动器的串口连接线连接驱动
按照电机表格中参数填写直线电机配置 电机名称：CE133B12 电机图片：可不填 电机峰值电流：Arms （注意单位） 电机持续电流：Arms （注意单位） 电机最大转速：3000 mm/s （注意单位） 电感：1 mH （电机参数没有提供先随便填写一个） 电机电阻：1 ohm （电机参数没有提供先随便填写一个） 直线电机扭矩常数：70N/Arms （注意单位） 转子线圈质量：10 KG（注意：表格中为24Kg，因为GTHD驱动最大可填写10KG 所以超过10KG的就填10KG即可，不影响使用。如果写入24KG会报错）
电机节距：48 mm （咨询电机厂商）相当于旋转电机旋转一圈所走的距离。 2 设置反馈参数
编码器类型根据实际应用选择，本例中如上图所示，没有霍尔信号所以选择A+B，在使能的时候进行寻相。 因为磁极距为48mm 根据光栅尺分辨率1um,所以1mm=1000um 48*1000=48000 线数/磁矩。 寻相方式：平滑启动 寻相电流：持续电流的30%~50% 初始化时间：10ms 初始化增益: 在写入电机参数时还需注意一个参数：thermode电机超温模式，需要设为3（忽略温控输入）。 最后把参数写入驱动器即可 (以下内容参考GTHD参数设置和调试流程说明文档，跟调试旋转电机方法一致) 3 进入反馈界面 寻找相位过程里面： 方式：4 平滑启动编码器初始化电流：2A 初始化时间：10 ms 编码器初始化增益： 设置好点击寻找相位角，正常电机会使能成功，如果失败则增大电流或者编码器初始化增益。
直线电机优缺点 直线电机的特点在于直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转电动机，滚动丝杠”相比，其优点是(具体性能见下表)： (1)没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，线性模组除了直线电机导轨以外没有任何其它的摩擦； (2)结构简单，体积小，通过以最少的零部件数量来实现我们的直线驱动，而且这仅仅是只存在一个运动的部件； (3)运行的行程在理论上是不受任何限制的，而且其性能不会因为其行程的大小改变而受到影响； (4)其运转可以提供很宽的转速运行范围，其涵盖包括从每秒几微米到数米，特别是在高速状态下是其一个突出的优点； (5)加速度很大，最大可达10g； (6)运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，伺服电动缸没有其它机械连接或转换装置的缘故； (7)精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级； (8)维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。直线电动机与“旋转电动机，滚珠丝杠”传动性能比较表性能旋转电动机+滚珠丝杠直线电动机。 缺点:从表面看，线性马达直线电机可逐步取代滚珠丝杠成为驱动直线运动的主流。但事实是，直线电机驱动在普遍使用后，一些过去没有关注的问题开始浮现： 一是直线电机的耗电量大，尤其在进行高荷载、高加速度的运动时，机床瞬间电流对车间的供电系统带来沉重负荷; 其二是振动高，直线电机的动态刚性极低，不能起缓冲阻尼作用，在高速运动时容易引起机床其它部分共振; 其三是发热量大，微型电钢固定在工作台底部的直线电机动子是高发热部件，安装位置不利于自然散热，对机床的恒温控制造成很大挑战;
介绍直线电机参数和选型 1.最大电压( max. voltage ph-ph) ———最大供电线电压，主要与电机绝缘能力有关；《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 2.最大推力(Peak Force) ———电机的峰值推力，短时，秒级，取决于电机电磁结构的安全极限能力；《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 3.最大电流(Peak Current) ———最大工作电流，与最大推力想对应，低于电机的退磁电流； 4.最大连续消耗功率(Max. Continuous Power Loss) ———确定温升条件和散热条件下，电机可连续运行的上限发热损耗，反映电机的热设计水准； 5.最大速度(Maximum speed) ———在确定供电线电压下的最高运行速度，取决于电机的反电势线数，反映电机电磁设计的结果； 6.马达力常数(Motor Force Constant) ———电机的推力电流比，单位N/A或KN/A，反映电机电磁设计的结果，在某种意义上也可以反映电磁设计水平； 7.反向电动势(Back EMF) ———电机反电势（系数），单位Vs/m，反映电机电磁设计的结果，影响电机在确定供电电压下的最高运行速度； 8.马达常数(Motor Constant) ———电机推力与功耗的平方根的比值，单位N/√W，是电机电磁设计和热设计水平的综合体现； 9.磁极节距NN(Magnet Pitch) ————电机次级永磁体的磁极间隔距离，基本不反映电机设计水平，驱动器需据此由反馈系统分辨率解算矢量控制所需的电机电角度； 10.绕组电阻/每相(Resistance per phase)———电机的相电阻，下给出的往往是线电阻，即Ph－Ph，与电机发热关系较大，在意义下可以反映电磁设计水平； 11.绕组电感/每相(Induction per phase) ———电机的相电感，下给出的往往是线电感，即Ph－Ph，与电机反电势有关系，在意义下可以反映电磁设计水平； 12.电气时间常数(Electrical time constant) ———电机电感与电阻的比值，L/R； 13.热阻抗(Thermal Resistance) ———与电机的散热能力有关，反映电机的散热设计水平； 14.马达引力(Motor Attraction Force) ———平板式有铁心结构直线电机，尤其是永磁式电机，次极永磁体对初级铁心的法向吸引力，高于电机额定推力一个数量级，直接决定采用直线电机的直线运动轴的支撑导轨的承载能力和选型。《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 直线电机的选型首选推力速度，然后看连续消耗功率、热阻和散热方式和条件等，再次看供电电压和电流，对快速性有要求还要看电气时间常数。个人意见，最最反映直线电机性能水平的是推力平稳性、电机常数和热阻，不过推力平稳性指标多数厂家未必会直接给出。《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 电机的推力系数以出力电流比来标示，比如N/A，Nm/A《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 反电势系数用电压速度比来标示，比如V/(m/s)，V/(rpm)等《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 以电机的机电转换公式可以推导出其间的关系，具体过程如下：《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 直线电机的机械输出功率为Pm＝F*v ＝Cm*I*v，其中Cm为推力系数，I为电流，v为电机运行速度《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》电机电气消耗功率中的电磁转化功率为：Pe＝ε*I＝Ce*v*I，其中Ce为反电势系数，v为电机运行速度， I为电流《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》