平面电机讲义学案.doc

平面电机 0引言 目前，实际应用中较为广泛的能够实现二维驱动及定位的方法有三种：一是压电陶瓷配合柔性铰链机构进行驱动，二是利用传统的旋转电机驱动，三是利用直线电机进行直接驱动。虽然这三种机构都可以实现二维平面定位，但是均存在着不同方面的缺陷。柔性铰链机构和压电陶瓷驱动元件所组成的系统易实现整体式结构、位移控制精度高、功耗小，但是柔性铰链的阻尼、小行程，以及压电陶瓷的迟滞、非线性等特性对工作台性能的提高会带来不利影响。由于丝杠加螺母等直线运动转换机构存在摩擦、侧隙、变形等一系列问题，并且转换机构的两套传动链引入了附加质量，使得传统的两组旋转电动机加直线转换机构定位装置的精度和响应速度很难达到较高的水平。直线电动机构成的平面定位装置虽然定位精度有了很大的提高，但是仍未摆脱“低维运动机构叠加成高维运动机构”模式，底层直线电机仍需要承担顶层直线电机以及相关机械连接件的质量。 为了使二维驱动装置能够实现更高精度的定位，需要研究利用电磁能直接产生平面运动的装置，即平面电机。与传统的定位工作台相比，平面电机的运动轨迹不是靠两个相互垂直的导轨运动方向上的合成而致，而是直接利用电磁能产生平面定位运动，具有出力密度高、低热耗、高精度等特点，另外由于摒弃了丝杠、螺杆等中间转换装置，故可以实现控制对象和平面电机的一体化，因而具有响应速度快，灵敏度高，随动性好以及体积小等优点。 1变磁阻型平面电机 根据电磁推力的产生原理，可将平面电机分为变磁阻型、感应型、永磁同步型和直流型四大类，其中变磁阻型又包含了步进式和开关磁阻式两种。 1.1步进式平面电机 步进式平面电动机是研究最早、理论最为成熟的一类平面电机，也是目前仅有的形成产品的平面电机。在步进式平面电动机中，一般将一块永磁体和两组缠绕在铁心上的驱动线圈作为一个单元，由相互垂直的两个单元构成动子，而将开有均匀分布平行槽的叠片铁心作为定子，为动子提供闭合磁路。步进式平面电机的内部磁场由动子各相绕组的脉冲电流产生。当某一方向上的两组驱动线圈交替通入脉冲电流时，会分别对永磁体产生增磁或者去磁作用，根据磁阻最小原理，定子与动子之间将产生使磁路磁阻减小的磁拉力作用，从而驱动电动机产生步进运动，若同时考虑X、Y两方向上的作用力，即可实现电机动子在定子平面上的二维运动。典型的步进式平面电机的基本结构如图1所示。 图1 步进式平面电机结构图 步进式平面电动机的具有很多优点，例如位移量与输入脉冲数成正比，没有积累误差，具有良好跟随性，结构简单可靠，输出力较大，动态响应快，自起动能力强等，但是也存在着较为明显的劣势，如存在低频振荡、失步和高频失步、运行速度和加速度低、自身噪声和振动较大等。该类平面电动机主要应用在平面绘图仪、晶片测量仪、快速加工系统、标图机等装置中。美国卡内基梅隆大学的R. L. Hollis等人根据Sawyer电机的原理与结构，设计出了一台将电源、驱动器和传感器都集成到动子上的平面电机，实现了动子的无连线和更高精度的闭环控制，如图2所示。 （a）动子底部结构 （b）实物图 图2 R. L. Hollis提出的平面电机 1.2开关磁阻式平面电机 开关磁阻式平面电机在国内文献中出现频率较高，香港大学的潘剑飞等人在专利中提出了一种新型开关磁阻电机结构，如图2-3所示，太原理工大学的马春燕等人分别对该种平面电机的运行机理以及拓扑结构进行了阐述，并对电机进行了初步设计和仿真工作，华南理工大学的杨金明也对开关磁阻式平面电机的鲁棒控制进行了相应研究。 图3 开关磁阻式平面电机结构图 开关磁阻式平面电机主要由定子、动子、各部分支撑导向结构以及各方向位置检测装置等组成。如图3所示，多个定子块组成定子块方阵，而定子块则采用叠压硅钢片结构，并由环氧树脂胶连接而成，其中硅钢片的厚度与齿宽相同，定子硅钢片形状及拼接方式如图4所示。这种积木拼接式的定子结构取代了以往整体切割原材料的方式，这不仅使涡流的影响大大减小，而且会降低生产的复杂性和加工成本。 图4 定子叠片及定子块的组合方式 该平面电机的动子采用宽齿结构，整个动子平台上共安置六个动子单元，其中每三个动子单元为一组，负责X或Y方向的运动。动子铁心也是由硅钢片叠压而成，而且每个动子单元上均绕有集中励磁绕组。为了减小X与Y方向上的磁路耦合作用，将六个相同的动子单元按照“与相邻动子单元正交”的规律分别固定在动子台架上，动子叠片形状及单相线圈绕组结构如图5所示。 图5 动子叠片形状及单相线圈绕组 开关磁阻式平面电机的动子和定子均有铁磁材料构成，动子上安装集中绕组，而定子无需绕组，也不需要永磁体，因此，其结构简单、适应性强，适于高速和恶劣的应用环境。然而，该类平面电机存在较大的脉动推力与复杂的动态特性，使其建模和控制成为一个难题，限制了其在高精度和高速