电机的控制系统由硬件和软件组成, 硬件包括

以 D SP 为核心的控制模块和 IGB T 功率驱动模块,
软件包括控制算法、速度解算等。通常的 L PM SM
采用与永磁旋转电机类似的矢量控制, 控制系统的
基本构成类似。它接上位机DN C 和N C 的指令, 根
据传感器提供的信号, 进行分析比较和逻辑判别后
驱动L PM SM 。

L PM SM 伺服系统的附属结构以系统的性能影

响也是不可忽略的。初级和次极之间采用直线导轨
支撑, 由于平板式结构直线电机存在较大的法向吸
引力 (一般为额定推力的 5- 10 倍) , 对导轨的承载
能力要求较高。同时摩擦力要小, 而且要能满足高速
运动的要求。反馈元件的分辨率直接决定了系统的
精度。反馈元件的主要功能是检测转子磁场位置, 提
供电机速度和位置信号。最常用的有数字式或直线

式霍元效应传感器、激光干涉仪和直线光栅等检测
元件。直线电机可采用风冷或水冷, 前者结构简单、
易于实现, 后者需要设置专门的水路, 结构复杂, 但
效果显著。其他附属结构包括行程开关、缓冲装置、
防护罩、导线拖链等。

在 L PM SM 传动装置中, 电流一般采用两种控

制方式, 一种是矩形波电流控制方式, 另一种是正弦
波电流控制方式。矩行波电流控制使用六单元的位
置传感器, 同时通过适当的调制保持电流幅值恒定。
这种控制已经被用于管型直线永磁同步电动机的传

动装置中。六单元霍尔型传感器产生正确顺序的信
号, 用于切换两导通相。矩形波电流输出由位置和速
度串联控制器控制。正弦波电机优点是推力波动小,
运行平稳, 精度高, 但控制较复杂。

在 L PM SM 伺服系统中, 控制系统是直线电机

设计的一个重点和难点。直线伺服系统运行时直接
驱动负载, 这样负载的变化就直接反作用于电机。外
界扰动是造成系统伺服性能下降的主要因素, 特别
是在要求做微进给的、精加工的数控机床中, 一个微
小的扰动往往会导致加工产品表面出现明显的划

痕, 从而降低产品质量, 甚至使产品报废。因此对于
一个伺服系统来说, 抗扰性是衡量其伺服性能的重
要的指标之一。影响系统的伺服性能的扰动因素多
种多样。为了提高系统的伺服性能, 使系统具有优良
的工作品质, 控制算法中必须对不同的扰动加以抑
制。抑制效果的好与环取决于对扰动补偿的程度。只
有对扰动实现全面补偿, 才能获得优良的伺服性能。

L PM SM 的控制器要达到稳态跟踪精度高、动

态响应快、抗干扰能力强、鲁棒性好。不同的直线电

机或不同的应用场合对控制算法会提出不同的要
求, 所以要根据具体情况采用合适的控制方法。目前
直线伺服电机采用的控制策略主要的传统的 P ID
控制、Sm ith 预估控制方法、解耦控制。现代控制方
法如模型参考自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控

制、预见控制、H ∞控制、智能控制如模糊控制、人工
智能 (如人工神经元网络系统) 控制等。

　直线永磁同步电机的应用

上面阐述了 L PM SM 基本原理和结构型式和

不同的控制方式。之所以其结构方式有多种多样, 主
要是因不同实际需要而产生的, 有的场合要求精度
较高, 有的场合精度不是主要因素, 而可靠性和力能
指标则要求很严, 因而形成此类电机宽广的应用领
域如交通运输方面: 磁悬浮列车、电磁推进船、地铁、
公路高速电动车。在物料输送与搬运方面: 直线电梯
与升降机; 矿用推车机和竖井提升机。在汽车生产
线、自动化仓库、立体式仓库有应用、银行票据传送
系统; 在工业和自动化: 锻压设备、机加工的数控机
床和加工中心、真空断路器、浮法玻璃生产线、铁磁

分离器、冶金工业、纺织工业、自动化、计算机等领

域; 在民用和建筑业方面: 直线电机驱动的空调和冰
箱、建筑打桩机。在军事、医疗、电动工具、天文观测

等各领域都用到直线电机。这里仅介绍几个典型的

应用实例。

表

　直线进给系统与“旋转电机

滚珠丝杠”

进给系统传性能比较

[ 3 ]

性能

旋转电机

滚珠丝杠

直线电机

精度

(

gÙ

300mm )

0. 5

重复精度

(

m )

0. 1

最高速度

gÙ

m in)

20- 120

～

200

最大加速度

(g)

1. 5

～

静态刚度

m )

～

180

～

270

动态刚度

(

m )

～

180

160

～

210

平稳性

速度

)

调整时间

(m s)

100

～

寿命

(h)

6000

～

10000

50000

1) 　在高速加工中心和其它大行程数控机床进给系

统中的应用

直线电机进给系统的特点在于利用电能直接产

生直线运动, 而不需任何中间转换机构。与间接产生
直线运动的“旋转电机+ 滚珠丝杠”进给系统相比,
其优点在于没有机械摩擦, 结构简单、体积小; 行程
理论上不受限制, 而且性能不会因为行程的变化而

—

微电机　

2005

年　第

卷　第

期

(

总第

144

期

)