内置永磁同步电机的滚珠丝杠直线驱动器.docx

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(SpaceVectorPulseWidthModulationSVPWM)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χ_Ref与检测元件检测到的实际位置χ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