永磁式直线无刷直流电动机在数控机床上精控定位的设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇永磁式直线无刷直流电动机在数控机床上精控定位的设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：介绍了永磁式直线无刷直流电动机的原理与特点，并设计了它在数控机床上精控定位的框图，然后采用PMAC克服电机不足，来实现数控机床工作台的精控定位。

关键词：永磁式直线无刷直流电动机 数控机床 精控定位 双反馈

中图分类号：TM359.4 TG659 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）04-0036-01

数控加工经历了60多年的发展，已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术的基础。数控加工的最大特征有两点：一是可以极大地提高精度，包括加工质量精度及加工时间误差精度。

1 永磁直线无刷直流电动机的工作原理

永磁式直线无刷直流电动机是从旋转无刷直流电动机演变而来。图1显示其工作原理。

永磁式直线无刷直流电动机的推力是由定子3中的电枢电流和动子1的永磁磁场相互作用产生的。由于电子换向（图1（b））的作用，使电枢绕组的电流轮流变化，以致电机推力方向恒定不变。

为了实现电子换向，永磁式直线无刷直流电动机除了电枢和永磁磁场之外，还需用传感元件2和传感磁场组成位置传感器。传感磁场和永磁磁场合为一体，均放在定子上。当传感元件a、b、c发出信号分别控制两组功率管的基极，以使6个功率管中不接在同一节点上的两个功率管处在导通状态，其余4个功率管处在截止状态。随着传感器不断地送来信号，电枢绕组通过电流方向在不同磁极下轮流变化，从而实现电子换向。

2 永磁直线无刷直流电动机的特点

（1）调速范围宽。直线无刷直流电动机因机械传动没有任何限制，运动的速度变化范围几乎难以想象，且运行速稳定。高速可以大于5m/s，低速可以小于1μm/s，速度稳定度为±0.01%。

（2）高动态特性。电动机的动态与其承受加速能力有关。直线无刷直流电动机的运行加速度均超过几个g，小功率电机高达65g，中功率电机一般为3～5g。上述数据对于其他直线电动机及旋转电动机都无法达到。并且运行速度也很高，一般速度可达几米/秒。

（3）高刚度。直线无刷直流电动机是动子与机械负载直接连接，电机与负载之间刚性很强。刚度要比滚珠丝杆传动的刚度高5～10倍。

（4）运行平稳性好、定位精度高。直线无刷直流电动机的定子和动子采用无铁心或有铁心两种，两者均可消除齿槽效应，电机运行很平稳。若采用反馈闭环控制系统，定位精度更高，可达到0.5μm以下。

（5）维护方便、可靠、耐用性好。直线无刷直流电动机不存在摩擦接触，因此维护方便、可靠、耐用性好。

3 数控机床精控定位的设计措施

精控定位技术是永磁直线无刷直流电动机应用的难点。电机和传动工作台之间没有中间机械传动环节，直接驱动负载。工作台上负荷的改变及电机“端部效应”，对控制系统来说都是干扰。这些干扰将在没有任何缓冲的直接作用到直线无刷直流电动机上，将会降低系统的性能指标或造成振荡。因此在控制系统中必须要加入对这些干扰予以抑制或补偿的控制算法，保证电机控制系统的平稳。要求其速度与位置检测装置具有高的动态响应和分辨率能力，控制系统的鲁棒性很强，来消除内部参数不稳定和外界环境干扰的影响。因而只能采用全闭控制系统。

（1）精控定位结构框图。从图2可见，位置信号经过放大，得到较大的电压信号后送入到前置放大级和功放级，然后输出推动动子正反向运动的工作电流。位置反馈信号采用光栅，由工作台直线运动产生光栅信号取出，随机精度高。

（2）采用PMAC实现精控定位。永磁直线无刷直流电动机进给系统采用PMAC实现双闭环控制，内环为速度环，外环为位置环，如图3所示。选择1U高精度机床光栅尺作为反馈环节的位置测量系统，并通过误差补偿修正和PID伺服控制环调整控制参数，来提高永磁直线无刷直流电动机进给控制精度，从而较好地解决负荷变化和电机“端部效应”的干扰，实现数控机床精控定位。

参考文献

[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.

[2]蒋朝霞.直线电机在数控车床上的应用[J].电机与控制应用，2007.