滕鵬飛 李希明

摘 要：本文在綜述直線電機的原理、分類和目前國內(nèi)相關(guān)標準現(xiàn)狀后，提出了針對永磁同步直線電機的檢測系統(tǒng)。在分析此類電機的特點后，給出了系統(tǒng)的參數(shù)和指標。利用光柵尺、力傳感器、熱電偶、工控機和上位機軟件構(gòu)建了檢測系統(tǒng)。本文詳細描述了系統(tǒng)的搭建方案、硬件設(shè)備、軟件功能。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)電壓、電流、功率、推力、定位精度、溫升等參數(shù)的測量，同時可以實現(xiàn)信號的采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)判斷，最終檢測完成后打印出具檢測報告。系統(tǒng)的研究為檢測機構(gòu)對永磁同步直線電機的檢測和相關(guān)標準的制定提供了有力支撐。

關(guān)鍵詞：永磁同步直線電機，檢測系統(tǒng)，光柵尺，熱電偶

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.21.038

基金項目：本文受浙江方圓檢測集團股份有限公司自立科技項目（項目編號：ZL202201）資助。

Research on Test System of Permanent Magnet Synchronous Linear Motors

TENG Peng-fei LI Xi-ming

（Zhejiang Fangyuan Test Group Co.， Ltd.）

Abstract： After summarizing the principle， classification and current situation of domestic standards on linear motors， the paper puts forward a test system for permanent magnet synchronous linear motors. By analyzing the characteristics of this kind of motor， the paper gives the parameters and indexes of the system， and constructs the test system grating ruler， force sensor， thermocouple， industrial personal computer and upper computer software. This paper describes the system construction scheme， hardware equipment and software functions in detail. This system can realize the measurement of voltage， current， power， thrust， positioning accuracy， temperature rise and other parameters， and can realize signal acquisition， data processing， data judgment， and print test reports at last. The research on the system provides a strong support for the test of permanent magnet synchronous linear motors and the development of relevant standards.

Keywords： permanent magnet synchronous linear motor， test system， grating ruler， thermocouple

0 引 言

直線電機可以理解為一臺按照徑向剖開，展開成平面的旋轉(zhuǎn)電機。它的一大特點就是將傳統(tǒng)電機的旋轉(zhuǎn)運動直接轉(zhuǎn)換成直線運動，從而去除了中間的傳動裝置。直線電機的原理也較簡單，它的初級繞組可以等效為旋轉(zhuǎn)電機的定子，次級繞組可以等效為轉(zhuǎn)子。當初級繞組通電后，氣隙中會產(chǎn)生磁場。次級繞組切斷磁場，則產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，繼而產(chǎn)生了推力。直線電機的初級繞組一般固定，此時次級繞組則會在推力的作用下產(chǎn)生直線運動。

直線電機一般可分為5種，即直線感應(yīng)電機、直線同步電機、永磁同步直線電機、雙饋直線異步電機、直線開關(guān)磁阻電機。直線感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟性好，所以最開始在中低速軌道交通中得到一定的應(yīng)用。直線同步電機也可稱為雙邊激磁電機，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但是因為存在功率因數(shù)高、效率高的優(yōu)勢，所以適合制成大氣隙、高功率的電機。通常這種電機應(yīng)用在磁懸浮列車中。永磁同步直線電機優(yōu)勢在于單邊激磁、磁場密度高。缺點是成本較高，弱磁場環(huán)境下，不易調(diào)節(jié)磁通量。近年來隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展迭代[1]，控制精度不斷提升，在需要高精度定位、頻繁快速移動的場合中，有著巨大的應(yīng)用前景。雙饋直線異步電機可以雙邊激磁，存在調(diào)速性能好，功率因數(shù)較高的優(yōu)勢，主要應(yīng)用于車輛上。直線開關(guān)磁阻電機前景良好，但是目前階段還存在功率密度不高，控制成本較高的缺點。

近年來，隨著我國工業(yè)自動化水平的不斷提升，高精度智能制造已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)升級的必經(jīng)之路。在數(shù)控機床、機器人手臂、高端醫(yī)療器械等應(yīng)用場景中[2]，永磁同步直線電機以其高精度控制、高效率作業(yè)、較好的經(jīng)濟性，正逐步取代由“旋轉(zhuǎn)電機和滾珠絲桿”組合而成的傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)。由于去除了中間環(huán)節(jié)，所以傳動機構(gòu)可以輕松實現(xiàn)減少磨損、壓縮體積等以往難以實現(xiàn)的目標。這類電機整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

目前國內(nèi)針對永磁同步電機的國家標準和行業(yè)標準有不少，大致可以分為幾類：（1）永磁同步電機的通用標準，如GB/T 22669-2008《三相永磁同步電動機試驗方法》、GB 30253-2013《永磁同步電動機能效限定值及能效等級》；（2）永磁同步電機在具體的行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的專用標準，如GB/T 25303-2010《紡織專用高效率永磁同步電動機技術(shù)條件（機座號90～225）》、GB/T 25389.1-2018《風力發(fā)電機組永磁同步發(fā)電機 第1部分：技術(shù)條件》；（3）團體標準，如T/ZZB 0746-2018《變頻空調(diào)壓縮機用永磁同步電動機》、T/ZZB 2155-2021《電梯用永磁同步門機》等。但是這些標準都有一個共同的特點，即針對永磁旋轉(zhuǎn)電機制訂的標準，并不是針對永磁同步直線電機制定的標準。

同時針對直線電機的標準很少，只有2部，即GB/T 34115-2017《永磁式直線電動機通用技術(shù)條件》和JB/T 13218-2017《工業(yè)機械數(shù)字控制系統(tǒng)用直線電動機》。前者針對永磁式直線電動機制定了標準，但是并沒有根據(jù)永磁同步電機的特點和數(shù)控機床的實際需求去進行專門的制定，同時也沒有給出定位精度、重復(fù)定位精度等重要參數(shù)的測量方法和技術(shù)要求。后者是針對所有直線電機制定的標準，所以沒有結(jié)合永磁同步電機的特點去細化要求，盡管標準寫明了適用場景，但遺憾的是依然沒有給出定位精度等相關(guān)信息。

綜上所述，由于國內(nèi)暫時還沒有出臺一套專門針對數(shù)控機床等使用場景的永磁同步直線電機標準規(guī)范。所以目前各個企業(yè)推出的永磁同步直線電機種類和數(shù)量眾多，尺寸和性能參數(shù)也各異。同時國內(nèi)很少有檢測機構(gòu)開發(fā)專門針對此類電機安規(guī)和性能的檢測裝置。綜上所述，急需研制相應(yīng)的檢測裝置來滿足國內(nèi)生產(chǎn)廠和客戶的檢測需求，也能為國家標準和行業(yè)標準的建立積累經(jīng)驗。

1 檢測系統(tǒng)總體方案

通常檢測系統(tǒng)研究過程中，被測樣品的類型、測量參數(shù)的數(shù)量和精度等級、測量范圍等都決定了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和開發(fā)研制成本[3]。本系統(tǒng)旨在研究一套檢測裝置可以對運用在小型加工機械臂中的永磁同步直線電機進行安規(guī)和性能檢測。所以需要考慮的性能參數(shù)可確定為峰值推力在1000 N以內(nèi)，行程在700 mm以內(nèi)。因此系統(tǒng)檢測的性能參數(shù)包括定位精度、推力、電壓、電流、功率、功率因數(shù)；安規(guī)參數(shù)包括電機繞組溫度、溫升。

系統(tǒng)的搭建由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要實現(xiàn)對樣品的性能參數(shù)和安規(guī)參數(shù)進行檢測。軟件部分主要實現(xiàn)信號采集、顯示、處理、打印報告等一系列功能，建立信號分析處理方法，編寫測試系統(tǒng)主界面。具體搭建方案見圖2。

2 檢測系統(tǒng)的硬件搭建

永磁同步直線電機檢測系統(tǒng)的硬件部分包含了電參數(shù)檢測、推力檢測、位移檢測和溫度檢測四個子系統(tǒng)。

2.1 電參數(shù)檢測子系統(tǒng)

電參數(shù)檢測子系統(tǒng)主要采用單相數(shù)字功率計來實現(xiàn)。系統(tǒng)采用的WT210型功率計的電壓量程為0～600 V，電流量程為5 mA～20 A，頻率的測量范圍為DC、0.5 Hz～100 kHz。永磁同步電機的輸入的電壓為220 V，頻率是50 Hz，功率計在這個條件下，電壓、電流和功率測量精度約為±0.1%，功率因數(shù)測量精度約為±0.002。此款功率計能滿足系統(tǒng)的電參數(shù)測量需求。

2.2 推力檢測子系統(tǒng)

推力檢測主要由壓力傳感器LH-S09F和力顯示控制儀表LH-PT930組成。LH-S09F根據(jù)平衡電橋原理，可對0～2000 N以內(nèi)的壓力進行測量，同時具有±0.05% FS的精度和2 kHz的采樣頻率。同時LH-PT930的非線性誤差≤0.002% FS，A/D轉(zhuǎn)換速率為1600次/秒。兩者的結(jié)合可以滿足測量需求。同時控制儀表可以將數(shù)據(jù)通過RS232信號線，傳輸?shù)缴衔粰C中，提高了自動測量水平。系統(tǒng)對推力進行檢測的示意圖如圖3所示。

2.3 位置檢測子系統(tǒng)

考慮到永磁同步直線電機的運行速率較快，一般可達2 m/s。所以子系統(tǒng)采用了非接觸式、增量式光柵系統(tǒng)RGH24。光柵尺的讀數(shù)頭精度可以到0.5μm，最高速度可到3 m/s。而光柵尺利用環(huán)氧膠粘合的方式，可以將尺子直接貼合到直線電機上，不受電機溫度波動的影響。

2.4 溫度檢測子系統(tǒng)

溫度檢測子系統(tǒng)主要利用K型熱電偶和溫度巡檢儀實現(xiàn)。型號為MV2020的巡檢儀可以同時對20路通道的熱電偶信號進行測量，精度可到±0.1℃，每個通道的采樣速率為40次/秒。

3 檢測系統(tǒng)的軟件搭建

永磁同步直線電機檢測系統(tǒng)的軟件部分主要實現(xiàn)以下功能：（1）自動/手動采集數(shù)據(jù)；（2）可對安規(guī)參數(shù)和性能參數(shù)進行顯示、結(jié)果判定；（3）可對歷史數(shù)據(jù)進行查詢；（4）對檢測報告進行打??；（5）對用戶進行管理。

3.1 采集數(shù)據(jù)子系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)采集界面中，可以選擇“手動采集”或“自動采集”。當選擇“手動采集”后，檢測頁面中需要采集的數(shù)據(jù)由人工輸入。當選擇“自動采集”后，檢測頁面中，需要采集的數(shù)據(jù)會從端口自動采集得到。

3.2 檢測子系統(tǒng)

頁面主要顯示了檢測數(shù)據(jù)信息，如：光柵位移、電機設(shè)定位移、允差、光柵重復(fù)位移、電機重復(fù)設(shè)定位移等參數(shù)信息。其中需要采集的數(shù)據(jù)有：（1）光柵位移、（2）光柵重復(fù)位移、（3）電機定子溫度、（4）環(huán)境溫度、（5）電機輸入電壓、（6）電機輸入電流、（7）推力、（8）電機輸入功率、（9）功率因數(shù)。需要輸入的設(shè)定數(shù)據(jù)有：（1）電機設(shè)定位移、（2）允差、（3）電機重復(fù)設(shè)定位移、（4）溫升限值。軟件根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和設(shè)定的數(shù)據(jù)進行計算后給出的結(jié)果有：（1）判定結(jié)果、（2）溫升。如圖4所示。當電機行程超過限值后，圓形圖標還會顯示紅色進行提醒。

3.3 查詢子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要包括了查詢歷史測試信息和電機的基礎(chǔ)信息。在“查詢”界面中，顯示歷史測試信息，包括電機名稱、型號、廠家、序列號、測試時間等信息，也可對針對指定的日期內(nèi)的數(shù)據(jù)進行查詢。在“信息錄入”頁面中，需要錄入被測電機的基本信息。

3.4 報告打印子系統(tǒng)

在該界面下可以選擇需要的歷史檢測數(shù)據(jù)進行打印。

3.5 用戶管理子系統(tǒng)

在該界面下可以對軟件的用戶進行管理，包括新增用戶、保存用戶列表、刪除用戶、重置用戶密碼等。

4 結(jié) 語

永磁同步直線電機具備高精度、高速度、無中間傳動機構(gòu)的優(yōu)勢，隨著我國制造產(chǎn)業(yè)的升級，越來越得到重視和運用。近些年來，國內(nèi)廠家的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，迅速降低了產(chǎn)品的采購成本，同時帶動國外進口產(chǎn)品不斷降價。成本和性價比與日俱增，進一步推動了它的普及。本文搭建了對于永磁同步直線電機電壓、電流、功率、功率因數(shù)、定位精度、推力、溫升等重要參數(shù)進行檢測的系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有測量準確、自動化程度高、擴展性好的特點。本系統(tǒng)的搭建為檢測機構(gòu)對于直線電機的檢測研究提供了有力支撐。

參考文獻

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[2]趙建.位置檢測單元與直線電機一體化設(shè)計與研究[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2019.

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作者簡介

滕鵬飛，碩士，高級工程師，研究方向為電機檢測系統(tǒng)和檢測裝備。

（責任編輯：袁文靜）