一种短行程直线电机的数学模型及其实验研究

  本文关键词：一种短行程直线电机的数学模型及其实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

第25卷 第7期 2005年4月 中 国 电 机 工 程 学 报

Proceedings of the CSEE Vol.25 No.7 Apr. 2005

©2005 Chin.Soc.for Elec.Eng.

文章编号：0258-8013（2005）07-0131-06 中图分类号：TM359 文献标识码：A 学科分类号：470·40

一种短行程直线电机的数学模型及其实验研究

陈幼平，杜志强，艾 武，，周祖德

（华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心，湖北省 武汉市 430074）

RESEARCH ON MODEL OF A NEW SHORT-STROKE

LINEAR MOTOR AND ITS EXPERIMENTS

CHEN You-ping, DU Zhi-qiang, AI Wu, ZHOU Zu-de

（National NC System Engineering Research Center, Huazhong Univ. of Sci.＆Tech, Wuhan 430074,Hubei Province, China）

ABSTRACT: The special structure and working principle of a novel short stroke linear DC motor with permanent magnets are presented. Based on it, using theory analysis method with practice application to deduce the coupling relation between mechanical and electromagnetic equations, establish a mathematical model, analyse the parameters affecting the motor dynamic performance and show the block diagram of the linear motor model and transform functions. In order to evaluate its performance and derive its quantitative mathematical model, the model parameters were tested and analyzed, the experiments of the short stroke linear motor was given, experimental results were verified by model equations. These show its effectiveness.

KEY WORDS: Electric machinery; Short stroke; Linear DC motor; Mathematical model; Model parameters testing; Experiment research

摘要：阐述了一种新研制的短行程永磁直线直流电动机的结构特征和工作原理，并从其结构特征和工作原理出发，采用理论分析的方法，结合其具体应用对直线电机的基本关系式进行了推导，建立了电机的数学模型，并对影响其动态性能的参数进行了分析，给出了电机的动态模型结构图和传递函数关系式。为了获取定量的数学模型，对直线电机的有关模型参数进行了测定。同时还对直线电机的性能进行了实验研究，对实验结果进行了验证，实验实测值和模型方程计算值是吻合的。

关键词：电机；短行程；直线直流电机；数学模型；模型参数测定；实验研究

制特性，和闭环控制系统结合在一起，可实现精密的位置伺服控制[1-2]。尤其是在行程短、高频往复运动的精密加工场合，传统的旋转伺服电机与滚珠丝杠副传动是难以满足这些要求的，采用直流直线电机的直线运动驱动机构能充分发挥其响应快、精度高的特点，并已在中凸变椭圆活塞的车削加工[3-4]、凸轮的车削加工[5-6]以及波瓣形轴承外环滚道的磨削加工[7]中得到应用。

本文给出了一种新研制的短行程圆柱形动圈式永磁直线直流电动机，目的是将其用在选择性激光烧结快速成型设备中，实现聚焦透镜的快速往返直线运动。由于短行程高频往返直流直线电机在精密位置控制方面的应用研究仅有十多年的历史，随着其应用领域的拓宽，以及在电机设计上结构的不同和应用时的工作方式特殊性[8-9]，为了使伺服驱动系统具有较好的控制性能，建立直线电机的数学模型及对其性能进行实验研究是首先必须解决的问题。因此，该文从直流直线电机的结构特征和工作原理出发，采用理论分析的方法，结合其实现聚焦透镜（透镜质量轻、为惯性负载）快速往返直线运动这一工作特点，对电机的基本关系式进行了推导，建立了直线电机的数学模型，对其模型参数进行了测定。同时还对直线电机的性能进行了实验研究。该直线电机设计的控制行程范围为±5mm，带有分辨率为1µm直线位移检测装置（光栅尺）。

1 引言

直流直线电动机具有良好的静、动态性能和控

基金项目：国家863高技术基金项目(2002AA423120)。

The National High Technology Research and Development of China (863 Programme) (2002AA423120).

2 直线电机的结构和工作原理

（1）直线电机的结构

直线电机的结构如图1所示。该直线电机采用动圈型永磁式结构，由电机本体（定子）、径向磁

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