长行程永磁交流直线电机直接驱动伺服控制技术

（xx大学xx系制造工程研究所，北京，1000xx）
摘要 以高效率和高精度为基本特征的高速加工技术促进了直线电机直接驱动技术在高速加工中心中的应用。本文在分析了高速加工与直线电机的关系，以及国内外的直线电机及其伺服控制技术的发展状况，提出了直线电机及其全数字化直接驱动伺服控制器的设计方法。
关键词 直线电机 高速加工 伺服控制
1. 高速加工与直线电机
    以高效率和高精度为基本特征的高速加工技术，近十多年来迅速崛起，并成为当今制造业不可回避的先进制造技术之一，传统制造业发达国家已经把高速加工看成是推动经济发展的一项新技术。自20世纪90年代以来，一批又一批的高速机床开始投放国际市场，并成功地应运于汽车工业、航空航天工业、复杂曲面加工以及难加工材料的加工等领域，这标志着高速加工已进入工业实用化阶段，并将给世界机床工业带来巨大的推动和冲击[1,2]。
    为实现高速加工，除要求高速加工机床必须具有适宜高速加工的主轴部件，动、静、热刚度好的机床支撑部件，高刚度、高精度的刀柄和快速换刀装置，以及高压大流量的喷射冷却系统和安全装置等之外,对高速机床的进给系统也提出了更高的要求,即:
    1.高进给速度，最大进给速度达到60～200m/min。
    2.高加速度，最大加速度应达到1～10g。
    3.高精度。
    对此,由“旋转伺服电机＋滚珠丝杠”构成的传统直线运动进给方式已很难适应这样的高要求。在解决上述难题的过程中，一种崭新的传动方式应运而生了，这就是直线电机直接驱动系统。由于它取消了从电机到工作台之间的一切中间传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因此这种传动方式被称作“直接驱动”(Dricet Drive),国内也有人称之为“零驱动” [2]。其优点是：
    1.速度高，可达60～200m/min;
    2.惯性小，加速度特性好，可达1～2g,易于高速精定位；
    3.无中间传动环节，不存在摩擦磨损、反向间隙等问题，可靠性高，寿命长；
    4.刚性好，动态特性好；
    5.行程长度不受限制，并可在一个行程全长上安装使用多个工作台。
    世界上第一台在展览会上展出的，采用直线电机直接驱动系统的高速加工中心是1993年9月德国Ex-Cell-O公司于汉诺威欧洲机床博览会上推出的XHC 240型加工中心,采用德国Indramat公司的感应式直线电机,各轴的快速移动速度高达80m/min,加速度高达1g[3]。
    美国Ingersoll公司也早在1985年就开始与Ford公司合作研制超高速加工中心，在研制出采用美国Anorad公司永磁式直线电机的“高速模块”HVM800型卧式加工中心之后，1996年初又推出了HVM600高速模块，最大进给速度76m/min，加速度1g(z轴1.5g)，定位精度0.005mm，重复定位精度0.0025mm[4]。
2. 直线电机技术发展状况
    从近年来国际上的发展状况来看，直线电机技术主要掌握在少数直线电机和伺服控制装置制造商手中，而科研机构和大学的参与则相对较少。
    美国Anorad公司是国际上最大的直线电机供应商之一，从80年代初开始自行研制直线电机，主导产品是正弦波永磁交流直线电机和方波无刷直流直线电机，已在Ingersoll公司的高速加工中心HVM800和HVM600上获得成功应用[4]。
    德国Indramat公司是目前唯一能够同时提供感应式直线电机和永磁直线电机的直线电机制造商。其感应式直线电机已成功地应用于德国Ex-Cell-O公司的XHC 240型卧式高速加工中心[3]。
表1. 国外主要直线电机产品性能一览表
公司 型号 类型 *
行程
(mm) 连续额定推力(N)
无冷却    水冷 峰值速度
(m/s) 峰值加速度
(g)
Anorad LEC系列 永磁(双) 无限制 730      910 5 10
LFD系列 永磁(单) 无限制 4000 8000 5 10
Indramat LSF系列 永磁(单) ±3000 6000 12000 ≥3.3 ≥10
LAF系列 感应式 ±3000 4500 9000 ≥3.3 ≥10
Aerotech BLM系列 永磁(双) 无限制 280 427(空冷) 5 90(空载)
Parker Linearserv 永磁(双) 50-1500 50-300 2 7
Fanuc 9000B 永磁(单) 9000 2 2
Kollmorgen Plat. Dri. 永磁(双) 无限制 245 >3 >10
Drv. Linear 永磁(单) 无限制 5000 8000 >3 >10
Siemens 1NF1系列 永磁(单) 无限制 6600 3.3 8
  注：* (双)－双边励磁U型结构；  (单)－单边励磁平板式结构。
    国内的发展情况有所不同，从总体上讲，直线电机的研究和应用尚处于起步阶段，因此研究仍主要在几所大学和研究机构中进行。
    广东工业大学研制的高速进给单元中采用了感应式直线电机[2]。
    清华大学继研制出音圈式直流直线电机后[5]，已开始研制长行程永磁交流直线电机[6]。
沈阳工业大学则已研制出推力为100N的永磁交流直线伺服电机样机[7]。
3. 直线电机伺服控制技术的发展状况
    直线伺服电机和旋转伺服电机相比，伺服控制的难度大，要求高。主要表现为以下几方面：
    1.直线电机伺服驱动是直接驱动。
    2.位置环增益高。
    3.进给速度、加速度高。
    4.直线电机存在端部效应。
    为解决直接驱动直线电机的伺服控制问题，人们作出了许多努力。
    美国Anorad公司和德国Siemens公司合作，采用Siemens公司的SINUMERIK 840D CNC系统和SIMODRIVE 611D交流伺服系统来驱动Anorad公司的LFB-S-6型永磁直线电机，为此，他们专门定义了CNC和伺服系统与直线电机的性能和接口特性[8]。
    德国Indramat公司在其数字化智能直线电机伺服驱动器中引进了先进的国际化、开放式SERCOS(Serial Real-time Communication System)接口标准，使得位置闭环控制在驱动器内部完成[9]。
    清华大学采用基于重复控制的非线性PID控制方法，获得了更高的位置伺服精度和鲁棒性[5]。
     沈阳工业大学采用基于扰动观察器的加速度控制方法和采用滑模观察器的无传感器控制方法,实现对直线电机参数变化和负载扰动的鲁棒控制[7]。
4. 直线电机的设计方案
1) 直线电机结构形式的选择
    直线电机大体上分直线直流电机、直线步进电机、直线磁阻电机、直线感应电机、和直线同步电机五种，但各种直线电机的发展并不均衡，直线伺服系统中的驱动电机以永磁直线电机和直线感应电机为主。
    永磁直线电机和直线感应电机各有其优缺点。永磁直线电机的优势在于：每单位尺寸更大的出力；发热少，冷却要求低，长次级不需冷却。存在的问题在于：永磁体产生的强磁场使其安装和操作较困难；永磁磁场吸引铁屑，