第一章 绪 论
1.1 研究背景和意义
高速化、精密化和模块化是现代制造技术的发展方向。进入90年代以来，高速加工迅速发展，在高速加工中心中，高速电主轴和快速进给伺服系统是其中两项关键技术，其中对进给伺服系统提出新的要求[1]：1）进给系统必须与高速主轴相匹配，速度达到60m/min或更高；2）加速度要大，这样才能在最短的时间和行程内达到要求的高速度，至少要1～2ｇ；3）动态性能要好，能实现快速的伺服控制和误差补偿，具有较高的定位精度和刚度。
现代高速机床上实现高加速度直线运动有两种途径，一是采用滚珠丝杠传动，一是采用直线电机传动。前者采用旋转伺服电机驱动滚珠丝杠，这种进给系统所能达到的极限速度为90～120m/min，最大加速度也只有1.5g。同时，由于电机到工作台之间存在大量的中间环节，如联轴节、丝杠等。在高速运行或完成复杂运动时，这些机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等会产生进给运动的滞后和其它一些非线性误差，使系统有较大的惯性质量，影响了对指令的快速响应。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下会产生较大变形，影响加工精度。为了克服传统进给系统的缺点，简化机床结构，满足高速精密加工的要求，人们开始研究新型的进给系统，于是直线电机（图1.1）开始作为进给系统出现在加工中心中，它取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，即所谓的“直接驱动”或“零传动”。这种机械上的简化使得外界及自身的任何扰动都会毫无缓冲的作用在直线电机上，因此对直线电机的伺服控制系统的性能好坏，又决定了直线电机的整体性能。
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图1.1 交流直线电机进给系统
1－电机定子； 2－电机动子； 3－工作台
目前国外对直线电机的研究已处于应用阶段，技术已经很成熟，但价格昂贵，为了提高我国机床和制造业水平，国内已经开始了直线电机特别是机床进给系统用的直线伺服电机的研究，但还处在探讨和试制阶段。为了掌握自己的知识产权，清华大学制造所于1996年开始研究大推力、长行程交流永磁直线同步电机进给单元的[2]。之前，第一代样机已经制造出来，但控制性能有待改善，有必要进一步研究直线电机的交流伺服控制单元。本课题是根据上述背景和研究所现有条件提出来，针对现有的样机进行了三相交流伺服控制系统的研究。
作为高速加工中心的关键功能部件之一，直线电机的核心技术和应用市场都被国外的大公司如Anorad、Siemens、Kollmorgen、Indramat、Aerotech、Park等所拥有，因此自主开发一套直线电机及其伺服控制系统对于提高我国制造业水平和高速加工设备国产率有着较大的实际意义和经济价值。此外，直线电机还应用于军事、交通等领域，作为一种新技术有着很高的推广价值。
1.2 直线电机的运行原理及特点
1.2.1 直线电机的基本运行原理
所谓直线电机就是利用电磁作用原理将电能直接转换直线运动动能的设备。可以想象把旋转电机的定子和转子沿半径剖开后展平，可以得到直线电机的初级和次级，在实际应用中，为了保证在整个行程之内初级与次级之间的耦合保持不变，一般要将初级与次级制造成不同的长度。直线电机与旋转电机类似，通入三相交流电流后，也会在气隙中产生磁场，如果不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布，只是这个磁场是平移而不是旋转的，因此称为行波磁场（图1.2）。行波磁场与次级相互作用便产生电磁推力，使初级和次级产生相对运动，这就是直线电机运行的基本原理[3]。
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图 1.2 交流直线电机气隙中的行波磁场
1.2.2 直线电机进给系统优缺点分析
现代制造技术的高速加工系统中，直线电机系统已成为标志性元件，直线电机的特点在于能直接产生直线运动，与间接产生直线运动的“旋转伺服电机＋滚珠丝杠”相比具有以下优点[4]：（具体性能见表1-1）
1．没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，因此没有金属和金属的接触，除了直线导轨外没有其它摩擦；
2．结构简单，体积小，以最少的零部件数量实现直线驱动，而且是只有一个运动的部件；
3．行程理论上不受限制，而且性能不会因为行程的改变而受到影响；
4．可以提供很宽的速度范围，从每秒几微米到数米，特别是高速是直线电机一个突出的优点；
5．加速度很大，最大可达10g；
6．运动平稳，这是因为除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其它机械连接或转换装置的缘故；
7．精度和重复精度高，因为消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，有合适的反馈装置可达亚微米级；
8．维护简单，由于部件少，运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。
表1-1 直线电机与“旋转伺服电机＋滚珠丝杠”传动性能比较
性能
精度（μm/300mm） 重复精度(μm) 最高速度(m/min)
最大加速度(g) 静态刚度(N/μm) 动态刚度(N/μm) 速度平稳性(%) 调整时间(ms) 寿命(h)
旋转伺服电机＋滚珠丝杠
10 5 20～30 0.1～0.3 90～180 90～180 10 100
6,000～10,000
直线电机 0.5 0.1 60～200 2～10 70～270 160～210
1 10～20 50,000
任何事物都有两面性，直线电机也有自身的缺点，主要表现在以下几点：
1．存在纵向端部效应
首先，直线电机的结构特点导致绕组在电机中的几何位置不再具有对称性，对多相电机来说这种不对称性会造成各相参数的不对称性，从而引起电机性能的波动。另一方面，磁场在纵向端部断开并衰减，使行波磁场的基波减弱而谐波得到加强，导致电机推力密度下降、损耗增加，而且存在较大的推力波动。直线电机中由于纵向端部的存在而引起的各种效应称为纵向端部效应（End effect），直线电机的结构特点决定了纵向端部效应是不可避免的[5]。
2． 控制难度大
直线电机虽消除了机械传动链所带来的一些不良影响，但却增加了控制难度。因为在电机的运行过程中负载（如工件重量、切削力等）的变化、系统参数摄动和各种干扰（如摩擦力等），包括端部效应都直接作用到电机上，没有任何缓冲或削弱环节，如果控制系统的鲁棒性不强，会造成系统的失稳和性能的下降[4]。在要求高精度微进给的场合，要求考虑更多的摄动和扰动等不确定因素对进给运动的影响。
3．效率低
由于结构上的限制，直线电机的气隙通常比旋转电机大，加上端部效应等造成的额外损耗，效率和功率因数均比旋转电机要低。
4．成本高
直线电机的设计、制造、材料、防护和控制系统等成本均较高，随着技术的成熟和应用越来越广泛，直线电机的成本也将越来越低。
1.3 直线电机发展历史及其伺服控制系统的研究综述
1.3.1 国内外直线电机历史、现状及发展
1845年英国人Charles Wheastone发明了世界上第一台直线电机，但这个直线电机由于气隙过大而导致效率很低，未获成功。在随后的一个世纪里，直线电机由于效率低、开发成本高而被长期搁置，处于停滞状态。到了二十世纪中叶，控制、电子、材料等技术的发展，为直线电机的开发提供了理论和技术上的支持，直线电机开始进入新的发展阶段。二十世纪七十年代以后，直线电机应用的领域更加广泛，如自动绘图仪、液态金属泵（MHD）、