一種永磁直線同步電動機的實驗和測試裝置

蘇煥宇 尹韶輝 諶國權(quán) 譚銘志

(①湖南大學機械與運載工程學院，湖南長沙 410082;②湖南一派工業(yè)驅(qū)動有限公司，湖南長沙 410100)

直線電動機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動的機械能的動力裝置，而不需要傳統(tǒng)的以鏈條、傳送帶、齒條絲杠或蝸輪蝸桿等中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，它克服了傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)換機構(gòu)帶來的傳動鏈長、體積大、效率低、響應慢和精度低等缺陷，具有很高的加速度，因而極大地提高了進給系統(tǒng)的快速反應能力和運動精度［1］。

直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了“零傳動”，簡化了傳動環(huán)節(jié)，實際上直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)仍然是一個復雜的、多耦合的非線性系統(tǒng)。因此在分析永磁同步直線電動機(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，簡稱PMSLM)的過程中，直線電動機性能的測試平臺是不可或缺的裝備。浙江大學的徐月同等人采用砝碼利用重力來直接牽引直線電動機的動子通過激光干涉儀測量位置進行反饋，利用電阻應變儀測得拉力［2］。北方交通大學的楊中平等人采用磁懸浮的方法利用位置傳感器計算直線電動機的加速度，通過計算得到直線電動機的推力［3］。廣東工業(yè)大學和上海交通大學的高軍禮、肖曙紅和張希給出了一種直線電動機檢測系統(tǒng)的設計［4］。

本文介紹了自行試制的一種直線電動機的綜合測試臺。介紹了測試臺的機械結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)原理和功能模塊，以及一種永磁同步直線電動機的測試結(jié)果。

1 測試臺結(jié)構(gòu)原理框圖

電動機測試的難點在于直線電動機的牽引、精確位置量和反電動勢等模擬量的獲取，其機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設備整體機械結(jié)構(gòu)采用數(shù)控車床ECK2320A機床底座，分別在原拖板、主軸、尾座位置加裝3套測試平臺。測試平臺運動部分采用直線導軌支撐，開式光柵尺反饋。用兩套拖板共軸對拖的方法來測試靜態(tài)波動力、額定波動力和反電動勢。其中，主動拖板為滾珠絲桿拖動，從動拖板為直線電動機拖動，兩拖板之間的聯(lián)接部分可以方便地拆裝。力測試部分采用止推測試的方法，以直線電動機驅(qū)動拖板推力傳感器。電氣控制部分集成在電氣控制柜中。

表1 力常數(shù)測量數(shù)據(jù)

該測試裝置采用如下配置:以一臺工業(yè)PC機為控制平臺，內(nèi)部嵌入4軸運動控制卡(固高GT400SVPCI－G卡)，控制3臺直線電動機與1臺旋轉(zhuǎn)電動機。另有一塊AD采集卡(研華PCI1712)，具有16位模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，16通道，1M的采集速度，完全滿足此檢測平臺的要求。還有一溫度傳感器，通過RS232C串行總線與PC機相連，用來檢測電動機內(nèi)部的溫度，其系統(tǒng)原理框圖如圖2。

2 持續(xù)推力模塊

直線電動機與旋轉(zhuǎn)電動機都上電，但是旋轉(zhuǎn)電動機工作在位置模式，直線電動機工作在電流環(huán)(轉(zhuǎn)矩環(huán))模式。測試過程中，把直線電動機的電流設定為標稱額定電流(直線電動機設計的額定電流)，由旋轉(zhuǎn)電動機拖動直線電動機，中間用力傳感器連接起來。在旋轉(zhuǎn)電動機拖動直線電動機運動的過程中，軟件實時通過AD采集卡采集力信號，溫度采集模塊把直線電動機內(nèi)部的溫度通過RS232C總線傳輸?shù)絇C機中，這樣就可以得到電動機當前的電流、推力、溫度關(guān)系曲線。測試流程如圖3，當溫度超過125℃退出程序后的前面一次測試的額定電流即為該電動機的額定電流，此時的推力即為電動機的額定推力，其測試結(jié)果如表1所示。

3 反向電動勢模塊

直線電動機不上電，使用旋轉(zhuǎn)電動機拖動直線電動機，中間直接用螺栓連接即可。測量探頭連接到直線電動機的A、B、C相上，詳細的連接方法如圖4。測試流程如圖5，在旋轉(zhuǎn)電動機拖動直線電動機運動的過程中，軟件實時通過運動控制卡采集位置信號、通過AD采集卡采集A、B、C相的電壓信號，這樣就可以得出電壓與位置的相對關(guān)系，即反向電動勢，不過這樣測量出來的是相相反向電動勢ep－p，而我們常說的是線線反向電動勢 eL－L，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為［4］

其測試結(jié)果如圖6所示。

4 推力波動測試模塊

直線電動機與旋轉(zhuǎn)電動機都上電，但是旋轉(zhuǎn)電動機工作在位置模式，直線電動機工作在電流環(huán)(轉(zhuǎn)矩環(huán))模式。測試過程中，把直線電動機的電流設定為額定電流，由旋轉(zhuǎn)電動機拖動直線電動機，中間用力傳感器連接起來，測試流程如圖7。在旋轉(zhuǎn)電動機拖動直線電動機運動的過程中，軟件實時通過運動控制卡采集位置信號，通過AD采集卡采集力信號，這樣就可以得出力與位置的相對關(guān)系，即額定波動力，其測試結(jié)果如圖8所示。

5 結(jié)語

本文研究了實驗用永磁同步直線電動機各類參數(shù)的測量方法，并設計開發(fā)了永磁同步直線電動機綜合檢測平臺EML3400，可以實現(xiàn)對樣機持續(xù)推力、波動力、反向電動勢等主要參數(shù)的綜合檢測，并在一派工業(yè)驅(qū)動有限公司的實際生產(chǎn)工程中獲得了良好的應用。

［1］葉云岳.直線電機理論與應用［M］.杭州:杭州大學出版社，1999.

［2］徐月同，傅建中，陳子辰.永磁直線同步電機推力波動優(yōu)化及實驗研究［J］.中國電機工程學報，2005，25(12).

［3］常蕾，楊中平，靳小亮.基于混合磁懸浮原理的直線感應電動機測試平臺數(shù)字控制器設計［J］.微電機，2009(3).

［4］高軍禮，肖曙紅，張希.直線電機檢測系統(tǒng)的設計［J］.微計算機信息測控自動化，2005，25(5).

［5］Jack Marsh.Motor Parameter Application Note［DB/OL］.PARKERTRILOGY Linear motor，www.trilogysystems.com.