精密加工机床的直线电机驱动系统

《精密加工机床的直线电机驱动系统》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、IEEE1999年电力与驱动系统国际会议，六月香港永磁直线电机超精密机床的进给驱动系统摘要■超高精密切割非黑色金属和黑色金属要求高性能的进给驱动和指挥系统來获得非常光滑的表面。通常用主轴螺母和旋转伺服提供进给驱动。非线性量如摩擦和微反弹影响表而光滑度。而直线电机用高效的PWM品体管传换器和对同步电流的超采样技术来直接駆动冋获得更好的效果。研究表明此驱动系统可适用于超精密机床的加工。1说明今犬口动化工业的精密制造技术主要用于打磨机械部件。为了满足口益增长的需求就经济和生态工业加工工艺捉出新的要求，可替代今天的研磨、摘磨过程。超高

2、精密机床的駆动系统的要求完全不同于传统的进给駆动系统。一个平滑的运动在低速范围下速度降低到1微米/每秒，位置行进1微米。被控电机的位置噪声必须小于20纳米。无摩擦带来的扰动影响的运动是必要的，并且由切削力引起的位置谋差必须通过快速和严格的控制保持在尽可能小的范围内。再者，进给位置的垂直运动必须尽可能的小。传统的带有旋转伺服电机和主导主轴螺母（彳亍星球或roller-screw驱动）进给驱动系统被认为有高的质量，但在非线性情况下质量却不高，例如摩擦，微反弹或倾斜误差。把直线电机应用于高精密机械没有先例。直线屯机通常用于高速加工。

3、半导体工业的高速切削、高动态定位。这些电机在高动态和简单设计上有很大优势,但也出现了新的问题。直线电机产生的热量必须用冷凝或热源去耦的方法来避免热膨胀。另外，机床设计上也要考虑由侧向力导致的电机和运动偏差的高吸引力。只有提供高刚度的机械设置高控制器带宽才能被应用。还有传统的伺服控制器显示了被控直线电机的位置噪声达到了超精密加工不能忍受的土180nm。利用直线电机的优势建造了一个由永磁直线电机和空气缓冲机床滑动系统。一种采用超采样技术的高分辨率屯流同步测量方法的新型高分辨率PWM转换品体管已经发展形成一种能减少直线电机位置噪声的

4、新型伺服控制器。位置的超采样已经得到成功的应用。研究表明这种驱动系统非常适合超高精密机床的需求。2实验设置进给駆动系统的测试设定保证了直线电机热源的去耦，消除了除进给方向的其他方向扰动移动偏差。如图lo最大推力为600牛的三相永磁直线同步电机。推杆连接直线电机和滑坡。采用精密的气体静压轴承技术保证了高精度和600牛/微米的高刚度。PushrodLinearmotoi（直线电机）空气缓冲滑台滚了轴承图1超高精密机床的测试设定图2频率转换器和相电流的测量低摩擦（＜1N）F,滚了轴承引导着直线电机。在最需要的低速情况卜•粘滑也不能发

5、生。宜线电机和空气缓冲滑台都被安装在分辨率为1纳米的光学位置测量系统上。一种新型的伺服控制发展起来。这种伺服控制的主要特点是它冇非常精确的电流测量仪和分辨率高达25纳米的数字脉冲宽度调制器。其电流测量采用超采用技术。PWM实施在一种采样频率为80赫兹的复杂逻辑决定器上。频率转换器应用在20T•赫的载波频率上。磁场定向流量控制和速度位置控制一起被实施在采样时间为50微秒，计算时间为16微秒的DSP系统中。此进给驱动系统是切割和坚硬的钢材一样的非费雷尔材料的高精密机床的一部分。3电流测量实验表明位置噪声与电流测量噪声相対应。电流的

6、采样▼▼▼Time:kK+1K+2图3电流测量规则瞬时电流米样▼▼Time:kk+1图4电流超釆样位置噪声要求电流测量有低噪声。每一次尝试都应以提高电流测量的精度为目标。电流测量对位置噪声的影响将在第四部分介绍。A.瞬时电流采样因为逆变器的开关模式，图2,和电流弘,】B,Zc发生不口然的扭曲。为了进行控制仅有基础部分石坊弋可以测量。如果采样瞬时和PWM信号的对称一致，这是可以实现的。B.超采样技术应用超采样技术可以增强电流测量的分辨率。电流的超采样能使高速AD转换器实现12比特的分辨率和10兆赫兹的采样频率的目标。多达500中

7、采样被应用在一个采样控制区间。如图4.采样电流的均值由CPLD计算出来并被用作控制电流的实际值。电流的谐波扭曲对电流测量没有影响因为均值的计算过滤掉了谐波。实验表明16位采样的均值必须减少电流噪芦的一个因素3.2,满足一个信噪比SNR=60dB（影响分辨率：Reff«10BU）。大于16位均值不能提高测量的精度。►MotorWWW——IE^12Slide图5两质量模型的进给驱动系统图6驱动系统的控制用二阶Sigma-Delta-AD-converter测量电流能获得更好的结果。采样电流频率为10千赫产生1比特的高速串行数据流。

8、在此高精度的测量下过滤后的数据流的分辨率会达到有效的12比特。4建模研究表明进给驱动系统能通过直线电机和空气缓冲滑台两单元的响应来描述。如图5•占统治地位的谐振频率为310赫兹，是弱阻尼。再者，机械设置的弯曲振动引起谐振。如图7.模型中速度控制冋路中的凹口滤波器的谐波容易被忽