1、内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器摘要：本文提出了一种内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器，通过自主优化的控制算法将永磁同步电机高功率密度、高效率的优良性能充分发挥，从而克服采用传统旋转伺服电机的直线驱动器结构复杂，外形尺寸大等缺点，并获得更高的驱动精度以及可控性。适用于航空航天、汽车制造、模具加工、电子制造行业等要求高响应、高效率和高精度的加工领域。 关键词：永磁同步电机；滚珠丝杠；直线驱动器 中图分类号： TM3 文献标识码： A 文章编号： 前言 直线驱动器主要定位于高精密加工伺服进给领域，因此它的高响应、高效率和高精度三项技术指标一直是国内外学者重点研究方向1。传统的直线驱动器一般均
2、采用旋转伺服电机驱动滚珠丝杠螺母副来实现，或采用液压系统（气动系统）驱动液压缸（气缸）来实现。 本文提出了一种内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器，通过自主优化的控制算法将永磁同步电机高功率密度、高效率的优良性能充分发挥，从而克服采用传统旋转伺服电机的直线驱动器结构复杂，外形尺寸大等缺点，并获得更高的驱动精度以及可控性。 1 内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器的工作原理和基本结构 永磁同步电机相对于其他类型的旋转伺服电机具有功率密度高、效率高、调速平稳等特点，更适合用于高速高精密加工伺服进给领域。 内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器主要由驱动器壳体、前后端盖、定子、转子、位置传感器、滚珠丝
3、杠、滚珠螺母等组成。具体结构如图 1 所示。 驱动器采用自然冷却方式，前端盖 1 和后端盖 8 通过螺栓与驱动器壳体 2 连接，定子 4 固定于驱动器壳体 2 的内部；转子 5 安装在空心转子轴 7 上，转子 5 两侧安装有平衡环 11，转子轴 7 通过过渡轴套 12 与前轴承安装轴 3 连接成一个整体，转子轴 7、过渡轴套 12 和前轴承安装轴3 组成的整体通过前轴承 14 和后轴承 10 与前后端盖连接。转子轴末端安装有位置传感器 9，用来实时采集转子的位置，反馈给驱动控制器。调节螺母 13 用来调整前部轴承 14 的游隙。轴承安装轴 3 前端与滚珠螺母 15连接，滚珠丝杠 6 位于空心转
4、子轴 7 的内部。 转子结构如下图 2 所示，转子冲片 19 经过叠压后由铆钉 16 进行固定形成转子铁芯，转子铁芯外部沿圆周分布有磁钢 17，定子铁芯两端装有有转子扣套 18，用来固定磁钢 17。 图 1 内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器结构图 图 2 转子结构图 直线驱动器工作时，转子带动转子轴、过渡轴套、前轴承安装轴、滚珠螺母等一起旋转，滚珠丝杠不旋转，从而可以得到滚珠丝杠的轴向直线运动，通过改变转子的旋转方向来改变丝杠的直线运动方向。 2 内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器的控制实现 空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVP
5、WM)由于其直流电压利用率高，易于数字化实现等优点，己广泛应用于交流伺服系统的全数字控制系统中2。内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器采用三相电压型功率逆变器作为功率驱动单元，其硬件结构如图 3 所示。 图 3 内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器硬件结构示意图 图中，C 为系统主电容组，直接接于系统直流母线两端，需根据系统电压及负载考虑其匹配参数，用于稳定系统直流母线的电压波动，保证驱动器正常工作。 主控制板作为直线驱动器的核心，通过 CAN 与系统部件进行通讯，通过 A/D 端口采集电机温度、功率器件温度和电机输入电流等信号，通过 I/O 端口接收前进/后退，开启/关闭、温度设定等信号，经
6、旋转变压器测量接收旋转变压器位置信号由旋变解码芯片 U4 对其进行解码后传递给电机运行控制芯片 U3 使用。U3 测量驱动电机 M1 的电流值并根据 U4 返回的驱动电机位置值、系统提供的一系列信号输出 SVPWM 矢量控制波形至相应驱动板以控制电机 M1 的运行。 对于永磁同步电动调速控制策略则采用矢量变换控制。矢量控制技术不论在电机的低速运行区还是高速运行区，其抗扰特性、启制动特性、稳速特性均达到或者超过直流调速系统，尤其在高精度传动系统中其调速范围已达 100000：1，因此，特别适合于交流伺服传动系统的控制3-4。图 4 内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器矢量控制框图 如图 4 所示
7、为内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器矢量控制框图，其控制过程为： 1)控制器接收来自上位机或数控系统的位置参考信号 _Ref，与检测元件检测到的实际位置 相比较得到位置偏差。为了减小偏差，位置调节器按实现设定好的调节规律(如 PID 控制、滑模控制等)，给出速度环参考信号 v_Ref。 2)将速度环参考信号 v_Ref 与电机实际运行速度 v 进行比较，得到速度偏差。以速度偏差为输入，速度调节器按一定的调节规律给出电流环的参考输入 i_Ref； 3)根据 d、q 轴电流偏差，经电流调：竹器调节得到参考电压空间矢量的 d、q 坐标系分量； 4)经逆 Park 变换，将参考电压空间矢量的 d、q
8、 坐标系分量转化为、 坐标系分量； 5)经 SVPWM 变换，由参考电压空间矢量的 、 坐标系分量调制输出 SVPWM 波形，控制电压型逆变器调制三相初级绕组的电压，改变绕组电流。从而改变电动机的加速度、速度和位置。 进一步分析，采用矢量控制的直线驱动器构成了电流环、速度环和位置环的三环全数字反馈。电流环接受速度调节器的输出，控制电流矢量的幅值和相对于定子磁场的位置，从而控制电动机的推力大小和方向；速度环则克服驱动器运行时受到自身推力波动、非线性摩擦力、负载变化以及参数时变的影响，使电机快速而准确地跟踪位置环调节器的输出；位置环则用于消除内环调节偏差及其他未知因素的影响，使驱动器准确跟踪系统发
9、出的位置指令，从而获得预期的加工轨迹。 3 结论 本文提出的内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器，克服了现有的采用旋转伺服电机驱动滚珠丝杠螺母副的直线驱动器结构复杂，外形尺寸大等缺点,并大大提高其驱动精度和可控性。通过对直线驱动器机械结构性能的优化设计，实现最佳惯量匹配,进而保证伺服驱动电机的工作性能和满足传动系统对控制指令的快速响应要求。通过对直线驱动器驱动控制算法的深入研究，实现由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字 PID，进而实现伺服进给系统运动的准确性以及灵活性。 参考文献 1G. Brandenburg, S. Bruckl, J. Dormann, et al.
10、 Comparative investigation of rotary and linear moor feed drive systems for high precision machine toolsIn：International Workshop on Advanced Motion Control, AMCNagoya, Jpn: IEEE，Piscataway, NJ，USA，2000，384-389. 2F. Blaschke. Principle of field orientation as used in the new Transvektor control system for induction machines, (Das Prinzip der Feldorientierung. die Grundlage fuer die TRANSVEKTOR-Regelung yon Drehfeldmaschinen)，1971，45(10). 3 仇翔辰，俞立辰，南余荣. 永磁同步直线电机控制策略综述微特电机，2005，(10). 4 林家春，永磁直线同步电动机伺服控制技术研究. 博士学位论文，2006. 作者简介：徐习能，1974 年 7 月出生，湖北麻城人，大冶有色金属有限责任公司生产管理部，本科，电气工程师，专业：电机控制，电气运行及设备管理。
