直驅直線電機的工作原理及采購選型
文:文 / 科爾摩根2021年第六期
導語:直驅直線伺服電機也叫永磁直線伺服電機,可基于供電電流和電壓生成推力和速度,并沿著被驅動軸進行直線運動。直線伺服電機是閉環系統的組成部分,根據伺服控制器利用反饋裝置發出的命令提供推力和速度,以實現閉環。
簡而言之,直線伺服電機的性能與旋轉伺服電機相同,只是直線伺服電機是以平直的方式轉動。系統內的各種反饋裝置可向伺服控制器提供電機線圈的電流、速度或位置等信息,而伺服控制器則可根據命令參數調整電機動作。直線伺服電機是一種直接驅動解決方案,其中負載直接連接到電機的移動部分。
直驅直線電機有多種配置(鐵芯、U 形通道、管件),但最終的工作原理都相同,直驅直線電機是伺服機構的重要組成部分,如圖1所示。
直驅直線電機應用存在許多類型,從簡單的X-Y段到復雜的龍門架系統,例如,由復雜的運動控制器驅動的多軸激光切割機。
優化運動控制
在實際應用中,可以對多個嵌入式電機環路進行調
優,以提供精確的運動控制。系統由電流環路、速度環路和位置環路組成,這些環路均采用了精密的反饋元件。每
個環路向后續環路發送信號,并監測適當的反饋元件,從而進行實時更正,以匹配命令參數,如圖2所示。
1.電流環路
電流環路為基本環路。電流與直線伺服電機的推力成正比,從而提供加速度或推力。電流傳感器用于提供流經電機的電流反饋信息。傳感器向控制電子裝置回送一個信號,當伺服電機的電流達到命令電流值時,環路將得到滿足,直至電流降至低于命令電流。然后,環路將增加電流直至達到命令電流值,并以亞秒級的更新速率繼續循環。2.速度環路
速度環路以同樣的方式運行,且電壓與速度成正比。當速度降至低于命令速度時,速度環路向電流環路發送增加電流的命令(從而增加電壓)。
3.位置環路
位置環路接受PLC或運動控制器的命令,然后PLC或運動控制器提供一個反饋至速度環路的速度命令,而速度環路又發出所需電流的命令,使電機以加速、保持原速或減速的方式移動到命令位置。
以上這三個環路以經過優化的同步方式運行,以平穩精確地控制直驅直線電機,最終實現高精度的運動控制。
如何選擇直驅直線電機
為特定應用選擇直驅直線電機時需要考慮多個方面,
如所需的速度、力、運動軌跡、可用物理外殼和環境因素。這意味著所選擇的電機解決方案必須滿足負載力和速
度的要求,適應可用空間,并在應用所處的環境條件下性能符合要求。
直線電機是讓負載進行運動(移動、加工、提升、檢查等)的綜合機制的一部分。
直線電機是提供所需力和速度(所需負載點)來執行給定功能的直線執行器的力量所在。確定這些需求最快、最可靠的方式是采用電機選型工具,計算電機所需的負載點,分析有關負載、傳動機構和運動軌跡的信息,以便從匹配參數的數據庫中選擇電機。
確定初始負載時,應利用選型工具檢查最優解決方案,并根據所需的力、速度、慣量比以及從電機額定值獲取的裕量,縮小電機選擇范圍。
影響直線電機選型的因素
1.物理尺寸
直線電機的物理尺寸主要取決于其產生連續力的能力。所有的直線電機設計都可以選擇在磁鐵軌道固定情況下移動驅力器或在驅力器固定情況下移動磁鐵軌道。直線電機可采用有鐵芯和無鐵芯(U形通道)設計。
2.推力
有鐵芯設計的高磁通產生能力由推力中的鐵芯實現, 非常適合實現更大的推力。有鐵芯電機在平面磁路上運行,且容易產生齒槽導致的力波動。無鐵芯設計的質量構造更低,適用于快速加速。無鐵芯電機采用U形通道,磁鐵位于兩側,并且無齒槽。
3.集成方式
直驅直線電機有兩種基本配置——在設計時將電機線圈和磁路設置集成在應用機制中或預先構建的直線電機中。在套件版本中,機器設計人員可以完全控制將直線電機集成到機器中的方式。設計人員需要考慮安裝電機所需的機械學、反饋裝置的選擇和放置、電纜管理和軸承選擇等因素。在預先構建的直線電機中,支持直線電機的所有機械學都是預先設定的,因此可以將電機快速集成到機器中。通常, 預先構建的直線電機的力和行程長度選擇有限,但裝配版本的靈活性明顯更高。
4.應用環境
直線電機的環境和溫度因素和所有伺服電機相同。直線電機的一個重要考慮因素就是在磁路上可能會積聚金屬或其他顆粒物,從而可能對驅力器或磁鐵造成潛在損害。在加工應用中,波紋管或類似覆蓋物有助于保護磁鐵和氣隙,防止積聚不必要的碎屑。
除了速度和力的要求,還應認真考慮電機的空間要求和環境條件,這有助于選擇合適的直驅直線電機。
直驅直線電機產品
作為運動控制領域的百年企業,科爾摩根推出了多款
性能卓越以及功能豐富的直驅直線電機產品。其中代表性產品如下:
DDL直驅直線電機
DDL直驅直線電機是一種采用扁平設計并與從動負載
直接耦合的電機。由于消除了對機械傳動組件的使用,因此具有卓越的性能、剛性、動態速度與加速度、定位準確性以及運行效率,如圖3。
IC有鐵芯直線電機
IC有鐵芯直線電機將線圈纏繞在硅鋼板上,通過單面
磁路最大限度提高生成力。電機采用特殊的電磁設計,可提供最大額定推力,確保熱損耗低,并且齒槽力小,是傳動大重量物品的理想之選,如圖4。
IL無鐵芯直線電機
IL無鐵芯直線電機采用無鐵芯或插槽設計,因此電機
齒槽效應為零, 重量輕并且線圈組與磁路之間無任何引力。這些特點非常適合于需要非常小的軸承摩擦力、對較輕負載具有高加速度,以及在超低速度條件下依然可確保最高恒速的應用,如圖5。
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