本文關(guān)鍵詞：一種短行程直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第25卷 第7期 2005年4月 中 國 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報

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

©2005 Chin.Soc.for Elec.Eng.

文章編號：0258-8013（2005）07-0131-06 中圖分類號：TM359 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 學(xué)科分類號：470·40

一種短行程直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其實(shí)驗(yàn)研究

陳幼平，杜志強(qiáng)，艾 武，，周祖德

（華中科技大學(xué)國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北省 武漢市 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：闡述了一種新研制的短行程永磁直線直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)特征和工作原理，并從其結(jié)構(gòu)特征和工作原理出發(fā)，采用理論分析的方法，結(jié)合其具體應(yīng)用對直線電機(jī)的基本關(guān)系式進(jìn)行了推導(dǎo)，建立了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并對影響其動態(tài)性能的參數(shù)進(jìn)行了分析，給出了電機(jī)的動態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)關(guān)系式。為了獲取定量的數(shù)學(xué)模型，對直線電機(jī)的有關(guān)模型參數(shù)進(jìn)行了測定。同時還對直線電機(jī)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)實(shí)測值和模型方程計算值是吻合的。

關(guān)鍵詞：電機(jī)；短行程；直線直流電機(jī)；數(shù)學(xué)模型；模型參數(shù)測定；實(shí)驗(yàn)研究

制特性，和閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，可實(shí)現(xiàn)精密的位置伺服控制[1-2]。尤其是在行程短、高頻往復(fù)運(yùn)動的精密加工場合，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)與滾珠絲杠副傳動是難以滿足這些要求的，采用直流直線電機(jī)的直線運(yùn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)能充分發(fā)揮其響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)，并已在中凸變橢圓活塞的車削加工[3-4]、凸輪的車削加工[5-6]以及波瓣形軸承外環(huán)滾道的磨削加工[7]中得到應(yīng)用。

本文給出了一種新研制的短行程圓柱形動圈式永磁直線直流電動機(jī)，目的是將其用在選擇性激光燒結(jié)快速成型設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)聚焦透鏡的快速往返直線運(yùn)動。由于短行程高頻往返直流直線電機(jī)在精密位置控制方面的應(yīng)用研究僅有十多年的歷史，隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，以及在電機(jī)設(shè)計上結(jié)構(gòu)的不同和應(yīng)用時的工作方式特殊性[8-9]，為了使伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有較好的控制性能，建立直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及對其性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究是首先必須解決的問題。因此，該文從直流直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)特征和工作原理出發(fā)，采用理論分析的方法，結(jié)合其實(shí)現(xiàn)聚焦透鏡（透鏡質(zhì)量輕、為慣性負(fù)載）快速往返直線運(yùn)動這一工作特點(diǎn)，對電機(jī)的基本關(guān)系式進(jìn)行了推導(dǎo)，建立了直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對其模型參數(shù)進(jìn)行了測定。同時還對直線電機(jī)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該直線電機(jī)設(shè)計的控制行程范圍為±5mm，帶有分辨率為1µm直線位移檢測裝置（光柵尺）。

1 引言

直流直線電動機(jī)具有良好的靜、動態(tài)性能和控

基金項(xiàng)目：國家863高技術(shù)基金項(xiàng)目(2002AA423120)。

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

2 直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

（1）直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)

直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該直線電機(jī)采用動圈型永磁式結(jié)構(gòu)，由電機(jī)本體（定子）、徑向磁

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