綜述用直線電動機機床進給系統(tǒng)
| 非可從結(jié)構(gòu)和控制兩方面著手。 結(jié)構(gòu)設(shè)計 直線電動機包括初、次級磁路結(jié)構(gòu)以及支撐、傳感測量、冷卻、防塵、防護等機械結(jié)構(gòu)。 磁路設(shè)計 磁路設(shè)計最重要的任務(wù)是使電動機的推力和推力波動達到設(shè)計要求。 電動機內(nèi)磁場分布的計算是磁路設(shè)計的基礎(chǔ)。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，使得直線電動機存在端部效應(yīng)，引起磁場的畸變，同時使用硅鋼片等軟磁材料來聚合磁路，媒質(zhì)邊界曲折交錯、磁路復(fù)雜、非線性強。如果采用傳統(tǒng)的等效磁路法或圖解法進行計算，將會產(chǎn)生較大的誤差，甚至是不可能的。因此目前普遍采用數(shù)值解法—主要是用有限元法（FEM）來計算直線電動機的磁場分布，從而進一步計算推力及其波動以及垂直力等性能。目前市場上已經(jīng)有很多優(yōu)秀的電磁場FEM軟件可供選用，所以用FEM計算直線電動機電磁場的關(guān)鍵點在于建立精確的有限元模型。 減少推力波動是磁路設(shè)計的一個重點也是難點。推力波動產(chǎn)生的原因有：初級電流和反電動勢存在高次諧波、氣隙磁密波形非正弦、齒槽效應(yīng)、端部效應(yīng)等。通過優(yōu)化永磁鐵的形狀和排列方式、降低永磁勵磁磁密、初級采用無鐵心和多極結(jié)構(gòu)、增加槽的數(shù)目、加大氣隙等措施可以減小推力波動，但某些措施會造成其它性能的減弱，所以設(shè)計時應(yīng)綜合考慮設(shè)計要求，達到******效果。 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)涉及的問題很多，在這里我們只強調(diào)一下對冷卻系統(tǒng)的研究，因為這個問題很容易被忽略。其實熱特性是直線電動機的一個重要特性，同一型號的電動機有冷卻時的推力峰值是無冷卻時的兩倍，所以電動機冷卻系統(tǒng)的好壞對電動機的性能有很大的影響，從冷卻系統(tǒng)著手進行優(yōu)化設(shè)計是提高電動機性能的一條捷徑。電動機熱特性的分析一般也采用有限元法，在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上對冷卻進行優(yōu)化設(shè)計。 控制技術(shù)的研究 控制技術(shù)是直線電動機設(shè)計的另一個重點和難點。 直線伺服系統(tǒng)運行時直接驅(qū)動負載，這樣負載的變化就直接反作用于電動機：外界擾動，如工件或刀具質(zhì)量、切削力的變化等，也未經(jīng)衰減就直接作用于電動機：電動機參數(shù)的變化也直接影響著電動機的正常運行：直線導(dǎo)軌存在摩擦力：直線電動機還存在齒槽效應(yīng)和端部效應(yīng)。這些因素都給直線電動機的控制帶來困難?？刂扑惴ㄖ斜仨氁獙@些擾動予以抑制或補償，否則容易造成控制系統(tǒng)的失穩(wěn)。 總體來說，控制器的設(shè)計要達到以下要求：穩(wěn)態(tài)跟蹤精度高、動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強、魯棒性好。不同的直線電動機或不同的應(yīng)用場合對控制算法會提出不同的要求，所以要根據(jù)具體情況采用合適的控制方法。目前直線伺服電動機采用的控制策略主要有傳統(tǒng)的PID控制、解耦控制，現(xiàn)代控制方法如非線性控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、H∞控制、智能控制如模糊控制、人工智能（如人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）控制等。 可以看出，直線電動機的控制算法運算量大，而且在高速加工進給系統(tǒng)的實際應(yīng)用中實時性很強，因此對整個數(shù)控系統(tǒng)提出了很高的要求。要滿足這種要求，在優(yōu)化控制算法的同時，還應(yīng)采用高性能的硬件。在高速加工中心進給系統(tǒng)中通常采用全數(shù)字驅(qū)動技術(shù)，以PC作為基本平臺，DSP實現(xiàn)插補和伺服控制。 雖然直線電動機的控制比旋轉(zhuǎn)電動機難度大得多，但他們的電磁特性和運行原理基本相似，而旋轉(zhuǎn)電動機的伺服控制技術(shù)已發(fā)展得比較成熟。所以在實驗研究階段，為了盡快建立實驗系統(tǒng)，以驗證設(shè)計的可行性，我們也可以將旋轉(zhuǎn)電動機的伺服控制器改造成直線電動機的伺服控制器，這樣可以降低研制的成本和周期，對開發(fā)專用的直線電動機伺服控制器也有指導(dǎo)意義。 試驗研究理論研究是設(shè)計的基礎(chǔ)，但要確定電動機的性能，歸根到底還要靠具體的試驗。旋轉(zhuǎn)電動機的性能試驗技術(shù)已經(jīng)很成熟，并且已經(jīng)標(biāo)準化，但直線電動機的性能試驗還沒有統(tǒng)一的方法。因此研究高效精確的直線電動機性能試驗方法也是一個很重要的課題，對理論研究也有促進作用。試驗研究的關(guān)鍵點在于各項參數(shù)如速度、加速度、靜態(tài)力、動態(tài)力、位移、溫度等的準確測量，如果需要還要設(shè)計專門的試驗臺。根據(jù)理論計算的結(jié)果進行設(shè)計方案優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上制造出樣機，然后通過對樣機進行性能試驗，驗證設(shè)計的正確性。一臺性能優(yōu)良的直線電動機往往要經(jīng)過多次反復(fù)計算、試驗才能制造出來。 |
