一种永磁直线同步电动机的实验和测试装置

2012-09-28苏焕宇尹韶辉谌国权谭铭志

制造技术与机床 2012年10期

苏焕宇尹韶辉谌国权谭铭志

(①湖南大学机械与运载工程学院，湖南长沙 410082;②湖南一派工业驱动有限公司，湖南长沙 410100)

直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动的机械能的动力装置，而不需要传统的以链条、传送带、齿条丝杠或蜗轮蜗杆等中间转换环节，它克服了传统机械转换机构带来的传动链长、体积大、效率低、响应慢和精度低等缺陷，具有很高的加速度，因而极大地提高了进给系统的快速反应能力和运动精度［1］。

直线电动机驱动系统虽然实现了“零传动”，简化了传动环节，实际上直线电动机驱动系统仍然是一个复杂的、多耦合的非线性系统。因此在分析永磁同步直线电动机(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，简称PMSLM)的过程中，直线电动机性能的测试平台是不可或缺的装备。浙江大学的徐月同等人采用砝码利用重力来直接牵引直线电动机的动子通过激光干涉仪测量位置进行反馈，利用电阻应变仪测得拉力［2］。北方交通大学的杨中平等人采用磁悬浮的方法利用位置传感器计算直线电动机的加速度，通过计算得到直线电动机的推力［3］。广东工业大学和上海交通大学的高军礼、肖曙红和张希给出了一种直线电动机检测系统的设计［4］。

本文介绍了自行试制的一种直线电动机的综合测试台。介绍了测试台的机械结构、结构原理和功能模块，以及一种永磁同步直线电动机的测试结果。

1 测试台结构原理框图

电动机测试的难点在于直线电动机的牵引、精确位置量和反电动势等模拟量的获取，其机械结构如图1所示。

设备整体机械结构采用数控车床ECK2320A机床底座，分别在原拖板、主轴、尾座位置加装3套测试平台。测试平台运动部分采用直线导轨支撑，开式光栅尺反馈。用两套拖板共轴对拖的方法来测试静态波动力、额定波动力和反电动势。其中，主动拖板为滚珠丝杆拖动，从动拖板为直线电动机拖动，两拖板之间的联接部分可以方便地拆装。力测试部分采用止推测试的方法，以直线电动机驱动拖板推力传感器。电气控制部分集成在电气控制柜中。

表1 力常数测量数据

该测试装置采用如下配置:以一台工业PC机为控制平台，内部嵌入4轴运动控制卡(固高GT400SVPCI－G卡)，控制3台直线电动机与1台旋转电动机。另有一块AD采集卡(研华PCI1712)，具有16位模数转换精度，16通道，1M的采集速度，完全满足此检测平台的要求。还有一温度传感器，通过RS232C串行总线与PC机相连，用来检测电动机内部的温度，其系统原理框图如图2。

2 持续推力模块

直线电动机与旋转电动机都上电，但是旋转电动机工作在位置模式，直线电动机工作在电流环(转矩环)模式。测试过程中，把直线电动机的电流设定为标称额定电流(直线电动机设计的额定电流)，由旋转电动机拖动直线电动机，中间用力传感器连接起来。在旋转电动机拖动直线电动机运动的过程中，软件实时通过AD采集卡采集力信号，温度采集模块把直线电动机内部的温度通过RS232C总线传输到PC机中，这样就可以得到电动机当前的电流、推力、温度关系曲线。测试流程如图3，当温度超过125℃退出程序后的前面一次测试的额定电流即为该电动机的额定电流，此时的推力即为电动机的额定推力，其测试结果如表1所示。

3 反向电动势模块

直线电动机不上电，使用旋转电动机拖动直线电动机，中间直接用螺栓连接即可。测量探头连接到直线电动机的A、B、C相上，详细的连接方法如图4。测试流程如图5，在旋转电动机拖动直线电动机运动的过程中，软件实时通过运动控制卡采集位置信号、通过AD采集卡采集A、B、C相的电压信号，这样就可以得出电压与位置的相对关系，即反向电动势，不过这样测量出来的是相相反向电动势ep－p，而我们常说的是线线反向电动势 eL－L，其转换关系为［4］

其测试结果如图6所示。

4 推力波动测试模块

直线电动机与旋转电动机都上电，但是旋转电动机工作在位置模式，直线电动机工作在电流环(转矩环)模式。测试过程中，把直线电动机的电流设定为额定电流，由旋转电动机拖动直线电动机，中间用力传感器连接起来，测试流程如图7。在旋转电动机拖动直线电动机运动的过程中，软件实时通过运动控制卡采集位置信号，通过AD采集卡采集力信号，这样就可以得出力与位置的相对关系，即额定波动力，其测试结果如图8所示。