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永磁交流伺服电机原理近年来由于无刷式伺服（马达）电机(brushless servo motor)制造与控制技术的急速发展，再加上大规模集成电路与半导体功率组件的进步，使其商品化产品日益增多，在高性能伺服应用场合如计算机控制数值工具机、工业机器人等，均已逐渐取代了传统式的有电刷的直流伺服电机(dc servo motor)。
无刷式伺服电动机主要可分为两大类(表1) (1)无刷式直流伺服电机(brushless dc servo motor)，一般亦称的为永磁式同步电机(PM synchronous motor) 或永磁式交流伺服电机(PM ac servo motor)，(2)感应式交流伺服电机(induction ac servo motor)。
无刷式直流伺服电机采用内装式的霍尔效应(Hall-effect)传感器组件来检测转子的绝对位置以决定功率组件的触发时序，其效用有如将直流伺服电机的机械式电刷换相(mechanical commutation)改为电子式换相(electronic commutation)，因而去除了直流伺服电动机因电刷所带来的限制。
目前一般永磁式交流伺服电机的回接组件多采用解角器(resolver) 或光电解编码马器(photo encoder)，前者可量测转子绝对位置，后者则祇能测得转子旋转的相对位置，电子换相则设计于驱动器内。
表1伺服电机的分类永磁式直流伺服电动机如图1(a)所示，其永久磁铁在外，而会发热的电枢线圈(armature winding)在内，因此散热较为困难，降低了功率体积比，在应用于直接驱动(direct-drive)系统时，会因热传导而造成传动轴(如导螺杆)的热变形。
但对交流伺服电机而言，不论是永磁式或感应式，其造成旋转磁场的电枢线圈，如图1(b)所示，均置于电机的外层，因而散热较佳，有较高的功率体积比，且可适用于直接驱动系统。
交流电机依其扭矩产生方式可分为两大类(1)同步交流电机(synchronous ac motor)与(2)感应交流电机(induction ac motor)，同步交流电机因其转子可由外界电源或由本身磁铁而造成的磁场与定子的旋转磁场交互作用而达到同步转速，但是感应交流电机的转子则因定子与转子间的变压器效应(transformer effect)而产生转子感应磁场，为了维持此感应磁场以产生旋转扭矩，转子与定子的旋转磁场间必须有一相对运动—滑差(slip)，因此感应电机的转速无法达到同步转速。
摘 要直线电机在各行各业中发挥着越来越重要的作用，特别是在机床进给驱动系统中。
本文以平板式交流永磁同步直线电机为研究对象，从电机机体到伺服驱动系统的软、硬件设计作了深入研究。
本文首先介绍了交流永磁同步直线电机机体设计过程中电枢绕组、铝芯和定子磁钢的设计和改进方法，较大程度上减小了推力波动，并且结合大推力直线电机的特点设计了方便有效的装配过程。
建立交流永磁同步直线电机的数学模型，在此基础上分析了当今最通用的伺服控制策略，选择了矢量控制方法。
确定0 d i 的矢量控制实现形式。
通过SVPWM 方法进行脉宽调制，合成三相正弦波。
选用TI 公司2000系列最新DSP TMS320F2812，深入研究了以上算法在DSP 中的实现形式。
采用了C 语言和汇编语言混合编程的实现方法。
在功率放大装置中，以智能功率模块IPM 为核心，设计了功率伺服驱动系统。
还包括电流采样、光电隔离、过压欠压保护和电源模块等。
由于知识和能力的限制，本次课题只对直线电机做一些理论研究。
关键词：永磁同步直线电机 DSP SVPWM 矢量控制AbstractLine motors are playing a more and more important role in all kinds of trade ,especially in machine tool feed system. We carry out our study in motor , softwareand hardware servo system based on flat AC permanent magnet synchronous linearmotor(PMSLM).First introduce the design method of armature ,core of al and magnet whichcan minish the thrust ripples, then introduce the means of assembly base on highthrust permanent magnet synchronous motors.To ensure the accuracy to a high requirements and get a wide speed range, wechoose the dsp of Texas Instruments named TMS320F2812 which is the core of theservo system .In the paper we set up mathematical model of PMSLM, then analysethe current control strategies and choose the vector control method which is realizedby the method of 0 d i .The three phase sine wave is compounded by spacevoltage pulse width modulation(SVPWM).The arithmetic realized by C language andassembly language in DSP. Intelligent Power Model (IPM) is the core of the poweramplification circuit system which also contains current sampling circuit,photoelectric-isolation circuits, over-voltage protection circuits, under-voltageprotection circuits and power supply.As a result of the knowledge and ability limit, this topic only does a fundamentalresearch to the linear motor.Key words: permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM), DSP,SVPWM, vector control目录摘要中文 (I)英文 (II)第一章绪论 (I)1.1 研究背景和意义 (1)1.2 直线电机的运行原理及特点 (2)1.2.1 直线电机的基本运行原理 (2)1.2.2 直线电机进给系统优缺点分析 (3)1.3 直线电机发展历史及其伺服控制系统的研究综述 (4)1.3.1 国内外直线电机历史、现状及发展 (4)1.3.2 直线电机伺服控制系统的研究综述 (7)1.3.3 试验研究 (10)1.4 本文主要研究内容 (10)第二章永磁永磁直线同步电机基本结构 (11)2.1 实验用交流永磁同步电机基本结构........................................................ 错误！未定义书签。
交流永磁伺服电机是一种广泛应用于现代工业和自动化领域的重要设备。
以下是对交流永磁伺服电机的一些主要知识点的总结：
1.工作原理：交流永磁伺服电机的工作原理基于磁场与电流之间的相互作用。
通过控制电机的电流，可以改变电机的磁场，进而控制电机的转动。
2.结构：交流永磁伺服电机主要由定子、转子和控制器组成。
定子包含一个或多个绕组，用于产生励磁磁场。
转子通常由永磁体构成，用于产生转矩。
控制器负责控制电机的电流和电压，以实现电机的精确控制。
3.控制方式：交流永磁伺服电机可以通过开环或闭环控制方式进行控制。
开环控制通过给定电压或电流控制电机的转速和位置，而闭环控制则通过反馈信号与设定值比较，实现电机的精确控制。
4.优点：交流永磁伺服电机具有高效率、高精度、高响应速度等优点。
此外，由于其采用永磁体作为转子，因此具有较高的扭矩密度和较低的维护成本。
5.应用领域：交流永磁伺服电机广泛应用于机床、机器人、电力电子、航空航天等领域。
在这些领域中，交流永磁伺服电机被用于精确控制机器的运动和位置，实现高效、精准的生产和加工。
以上是对交流永磁伺服电机的一些主要知识点的总结。
在实际应用中，需要根据具体的应用场景和需求选择合适的交流永磁伺服电机，并进行合理的配置和控制。
永磁同步直线伺服系统的一种双模控制张霖,党选举,曾思霖(桂林电子科技大学计算机与控制学院,广西桂林541004) 摘要:针对永磁同步直线电动机(PML SM )伺服系统的端部效应问题,采用了一种双模控制,将基于RBF 神经网络辨识的单神经元PID 控制和基于神经网络给定补偿的复合控制相结合。
有效地解决了并联型辨识结构对初值敏感及参数收敛的问题。
实现了控制系统的快速跟踪,同时对外部扰动和参数变化有较强抑制作用。
给出了该控制方案与基于RBF 神经网络辨识的单神经元PID 控制的仿真比较,验证了该方案的有效性。
关键词:永磁同步直线电动机;端部效应;双模控制;径向基函数神经网络;复合控制中图分类号:TP273 文献标识码:AKind of Double Model Control for Permanent Magnet Linear Servo SystemZHAN G Lin ,DAN G Xuan 2ju ,ZEN G Si 2lin(Com puter Science and Control College ,Guilin University of ElectronicT echnology ,Guilin 541004,Guangxi ,China )Abstract :For the problem of the end effect of servo system of permanent magnet linear synchronous motor (PML SM ),a double model control scheme was adopted.The scheme combines the single neuron PID control based on radial basis f unction (RBF )neural network and composite control based on neural network command 2compensator.And the scheme effectively solves the problems that the parallel identification model is sensitive to the initial value and the astringency of the parameters.Thus ,the scheme not only realizes the fast tracking performance of the control system ,but also has strong suppression to disturbances and uncertain parameters.To compare with the single neuron PID control based on radial basis function (RBF )neural network ,the effec 2tiveness of the proposed scheme is demonstrated by simulation.K ey w ords :permanent magnet linear synchronous motor (PML SM );end effect ;double model control ;ra 2dial basis f unction (RBF )neural network ;composite control 基金项目:国家自然科学基金项目[60964001];广西科学基金项目[桂科自0991019Z];广西信息与通讯技术实验室基金项目[10902] 作者简介:张霖(1987-),男,硕士研究生,Email :zl_030120330@1 引言在机床进给系统中,采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台(拖板)之间的机械传动环节,把机床进给传动链的长度缩短为零,因而这种传动方式又被称为“零传动”[1]。
交流永磁伺服电机工作原理交流永磁伺服电机是一种先进的电动机，其工作原理基于对磁场的控制和反馈，能够实现高精度的位置控制和速度调节。
在现代工业自动化领域得到广泛应用。
1. 结构组成交流永磁伺服电机由定子和转子两部分组成。
定子包括定子铁芯、定子绕组，而转子由永磁体组成。
在电机内部，定子绕组通过外部的电流激励，产生一个旋转磁场，永磁体则在该磁场的作用下转动。
2. 工作原理当给交流永磁伺服电机通以电流时，定子绕组中会产生一个旋转磁场，该磁场与永磁体之间会产生一个磁场相互作用力矩，从而使永磁体转动。
这就是基本的电磁转动原理。
通常，交流永磁伺服电机的转子上安装有编码器，用于实时检测转子位置。
通过对编码器的反馈，控制系统可以精确控制电机的转动速度和位置。
3. 控制方法交流永磁伺服电机通常采用矢量控制技术进行控制。
矢量控制可以通过对电流和磁场进行独立控制，实现高精度的速度和位置控制。
在控制系统中，通常采用PID控制器对电机进行闭环控制。
PID控制器通过比较设定值和反馈值，调整电机的输出电流，从而实现对电机速度和位置的控制。
4. 应用领域交流永磁伺服电机广泛应用于需要高精度控制的领域，例如数控机床、印刷设备、纺织机械等。
由于其响应速度快、控制精度高、能耗低的特点，使其在现代自动化生产中扮演着重要的角色。
交流永磁伺服电机在医疗设备、航空航天、机器人等领域也有广泛应用，为这些领域的精密控制提供了有力支持。
结语交流永磁伺服电机凭借着其高精度的控制能力和稳定可靠的性能，成为当今工业自动化领域的重要装备之一。
通过对其工作原理的深入理解，可以更好地应用和运用这一先进的电动机技术。
收稿日期:2003-03-17永磁直线交流伺服系统及其控制王伟进,陈宏平(浙江大学,浙江杭州310028)Permanent Magnet Linear AC Servo System and its ControlWANG Wei -j in ,CHEN Hong -ping (Zhejiang University ,Hangzhou 310028) 摘 要:介绍了一套永磁直线交流伺服系统,实验结果证明了该系统具有良好的伺服性能,有良好的实际应用价值。
关键词:直线电机;永磁直线交流伺服电机;伺服控制中图分类号:TM359.4 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2004)02-0026-03Abstract :A permanent mag net linear AC mo to r servo drive system is introduced in this paper .Some experiment results are provided to demonstrate the steady of operation and the hig h ac -curacy of positioning .The value of practical application is obvi -ous .Keywords :linear mo to r ;permanent magnet linear AC servo mo to r ;servo control1直线电机技术的特点和发展状况半个世纪以来,数控机床的进给驱动技术虽历经变化,但长期以来,基本的传动形式仍是“旋转电动机+机械变换环节(如齿轮齿条、滚珠丝杠等)”。
近年来,随着微电子技术的进步与工业加工质量和效率要求的提高,出现了新型的直线电动机驱动方式。
它通过直线电机直接驱动被控对象产生直线轨迹的运动,由于革除了中间传动环节,从而较传统传动方式有明显的优势:(1)具有比传统旋转电动机大得多的加、减速度。
(2)不存在中间环节的磨损问题,具有更高的传动精度和定位精度,维护简单,可靠性好。
(3)进给行程长度不受限制。
(4)运动安静,噪声低。
早在1985年,美国Ingersol 铣床公司就生产了高速加工中心HVM800和采用永磁式同步直线伺服电动机的HVM 600,最大进给速度达76.2m /min ,加速度达(1～1.5)g 。
在1993年10月的EM O 展览会上,德国EX -Cell -O 公司开发的XHC240型高速卧式加工中心,在世界上首次采用Indramat 公司的感应式直线交流伺服电动机直接驱动进给部件,其最高速度达80m /min ,最高加速度达9.8m /s 2。
而在1997年12月的EMO 展览会上最有前途的展品表明,在高速度机床的进给机构中愈来愈多地采用直线电机,其中有20多家公司[1]展出了直线电机传动装置。
此外,直线电机驱动的超导磁悬浮列车,在21世纪将以其高速、高性能展示在人们面前,其最高时速可达500km /h 。
目前,在数控机床上应用的主流是感应直线交流伺服电动机和永磁式直线交流伺服电动机。
它们各有优缺点[2],但在总体性能上永磁式直线电动机具有较大的优势,特别是随着钕铁硼等永磁材料性能的不断提高和应用技术的不断发展,其应用也将更为广泛。
2永磁直线交流伺服电机的原理和模型永磁直线交流伺服系统如图1所示。
电机为单边平板形,定子(床身)上沿行程方向交替安装N 、S 材料为NdFeB 的永磁体。
动子即为工作台,其下方对应安装着电枢绕组和霍尔传感元件。
动子由两边的导轨支撑,保证气隙尺寸。
导轨的一边上固定着直线光栅。
其中霍尔传感元件用于电枢电流换向,直线光栅用于测量动子的位移。
直线光栅的分辨率直接决定了系统的位置控制精度,其测量速度决定了动子最大速度。
图1 永磁直线交流伺服系统在电动机动子的三相绕组中通入三相对称正弦电流后,产生气隙磁场。
当不考虑纵向端部效应时,可看成是沿展开方向呈正弦分布。
当三相电流随时间变化时,气隙磁场将按一定的相序沿直线方向平移,称为行波磁场。
永磁体的励磁磁场与行波磁场相互作用产生电磁推力,从而动子沿着与行波磁场运动的相反方向作直线运动。
其数学模型如下:u d =R s i d +p λd -ωe λq (1)u q =R s i q +p λq +ωe λd(2)其中:λd =L d i d +λPM(3)λq =L q i q(4)ωe =p ωr =p πv /τ(5)电磁推力为:F e =3π2τp [λd i q+(L d -L q )i d i q ](6)从而机械运动方程写为:26D驱动控制rive and co ntro l 微特电机 2004年第2期 永磁直线交流伺服系统及其控制F e =M p v +Bv +F L (7)上面各式中:u d 、u q 分别为d 、q 轴电压;i d 、i q 分别为d 、q 轴的动子电流;R s 为动子电阻;ωr 为动子角速度;λd 、λq 分别为d 、q 轴的动子磁链;L d 、L q 分别为d 、q 轴动子电感;p 为极对数,τ为极距;λPM 为永磁体产生的励磁磁链;B 为粘滞磨擦系数;F L 为负载阻力;k f 为电磁推力系数;M 为动子及所带负载的总质量;v 为动子运动速度。
3永磁直线交流电机的伺服控制3.1驱动器介绍如图1所示,系统采用了美国kollmorgen 公司的Ser -vostar -cd 系列驱动器。
该驱动器可以有效地驱动永磁直线电机。
其主要特性有:全数字处理;多种数字控制环算法;可实现对电流/转矩的控制、速度控制、位置控制和加减速度控制;具有先进的正弦波换向技术,精确的低速控制减少了力矩波动;专利的转矩角控制技术提高电机转矩和速度;可以接收模拟、串行口和SERCOS 用户界面命令;有RS232和RS485串行通讯口实现与计算机的实时通讯。
在全数字控制模式下,驱动器与永磁直线交流电机的接线如图2所示。
图2 驱动器的接线图其中:驱动器输入线电压为230V 的三相交流电,驱动器上端的数显部分用来显示系统运行的状态和出错代码,从而便于系统的维护和出错处理。
C 1为串行通讯口,本套系统中采用RS232与计算机实现通讯。
采用的通讯协议为:全双工通讯方式,波特率为9600Hz 或19200Hz ,无奇偶校验位以及一个起始位和一个停止位。
自行编制程序时需遵守此协议。
C 2为电机反馈联接口,包括三大部分:电机侧直线光栅的位置反馈,霍尔元件的换相信号反馈和电机热保护。
C 3为用户输入输出联接口。
通过该口可以接收模拟用户命令,在全数字控制模式下,所有控制命令均通过串口C 1传递,因而只需如图输入24V 的直流电压,设置使能开关用以初始化驱动器内的软件使能。
当系统出现致命错误时,软件使能可以自动关断,起到保护的作用。
C 4为编码器等效输出口。
使用示波器,通过该口可以观察到直线编码器各个通道的信号。
3.2位置伺服控制该驱动器能完全实现全数字伺服控制,其内含直接驱动控制的算法程序。
通过其自带Motion Link 软件可实现与驱动器C 1口的通讯,从而完成设置、施加指令和实时监测系统运行状态。
此外,还可实时地测量系统的参数,对运行状态进行记录,其中的状态屏幕提示了系统运行和故障、错误的检查。
用户亦可根据实际自行设计相应的程序与C 1口通讯实现其功能。
直线电机采用直接驱动方式,因而来自外界的各种扰动如工件、刀具质量的变化以及切削力的变化等,都直接作用于直线电机上。
为了能达到得到良好的位置伺服性能,必须采用良好实用的控制算法。
位置伺服控制包括:位置调节器和速度调节器,分别负责位置控制、速度控制。
在Servostar -cd 驱动器中,位置调节器采用带速度和加速度前馈的PID 算法,提供的速度控制策略有:PI 控制、Standard Poles Plac ement 控制、Pseudo -Derivative Feed Forwad 控制和Advanced Poles Placement 控制。
通过选择不同的控制算法,调节各个控制参数,可使系统运行于良好的稳定状态。
4实验结果实验中采用的永磁直线交流电机的参数如下:动子质量51kg ,电枢电阻5.3Ψ,电枢电感53.4mH ,反电动势103V ,推力系数62.9N /A ,电气时间常数10.3ms ,电机常数26.9N /W 0.5,峰值推力1250N ,持续推力548N ,峰值电流11A ,持续电流4.4A ,线圈最大允许温度130℃,极距32mm 。
电机最大行程20cm ,光栅的精度5μm ,最大允许速度3m /s ,最大加速度可达10m /s 2左右。
实验装置还包括一台Servostar -cd 驱动器和一台计算机(以下实验均在空载情况下完成)。
4.1位置精度(1)采用精度为1μm 的靠表作为测量工具来测量电机的位置重复精度。
让电机在32mm 和64mm 位移下,分别以速度20mm /s ,60mm /s 和100mm /s 来回运动。
实验结果如表1所示。
从表中可以看出,系统具有很高的重复精度,其平均重复精度低于2μm 。
(2)利用驱动器提供的命令,通过计算机可以测得动子单程运动精度。
通过反复实验,得到其稳态位移误差平均值为1.1个脉冲,即5.5μm 大于直线光栅的5μm 的精度。
这也验证了直线电机的位置精度受反馈元件分辨率的限制。
4.2运动曲线采用标准极点配置控制算法,选择合适的参数进行27 微特电机 2004年第2期 D驱动控制rive and co ntro l 永磁直线交流伺服系统及其控制实验,其中运动的加速度和减速度均设为1.5m /s 2。
运动要求:64mm 的位移,100mm /s 的运动速度。
实验中,在t =0.25s 时人为给动子施加20N 扰动力,运动速度曲线如图3所示。
从中可以看出,永磁直线交流电机运行平稳,速度波动小。
表1 位置重复精度测量结果V 次数位移32mm 位移128mm20mm /s 60mm /s 100mm/s 20mm /s 60mm /s 100mm /s 10-200-1.5+0.52-20-0.5-10+0.53-2-100-1-1.54-0.5-1.5-0.5-1+0.5-15-0.5-2.5-0.5-1-0.5-1.560-1-0.5-10-17-1.5-1.5-0.5-1-0.5-28-0.5-1-1.5-10-19-0.5-1-0.5-2-0.5-110-0.5-2-0.5-1-1-0.511-1-1+0.5-10.5-112-1.5-0.5+2.5-1-0.5-113-0.5-0.5-1.5-10-1.514-0.5-1-0.5-10+1.5151.5-2-0.5-1-0.5-116-1-1.5-2.5-1-10170.5-1-1.5-2-1+0.518-2-2+1.0-10019-20.5+1.5-1-1.5-220-1-1.5-0.5-1-0.5-2.5平均误差/μm -0.775-1.2-0.325-1-0.45-0.7755结束语目前,采用直线电机直接驱动技术已经成为国际上各机床制造业竞先研究和开发的技术,其应用将有着广阔的前景。
