[发明专利]一种直线电机进给系统机电集成建模方法

说明书

本发明提供一种直线电机进给系统机电集成建模方法，包括以下步骤：1.分析与计算伺服驱动电路中各环节非线性因素产生的输出电压谐波；2.建立电流环控制模型，将步骤一得到的电压谐波以干扰的形式引入模型，得到作为伺服输出电流的电流环输出的三相电流；3.得到考虑直线电机磁链谐波、端部效应以及齿槽效应等非线性因素的电机气隙磁场，利用电磁能量法计算得到电机的输出推力；4.利用拉格朗日方程计算得到直线电机进给系统的机械动力学方程；5.通过实验辨识得到模型中的各个参数，最终建立进给系统机电集成模型，本发明能够快速准确的预测直线电机进给系统的运动性能。

技术领域

本发明涉及高速数控机床动态性能分析领域，具体为一种直线电机进给系统机电集成建模方法。

背景技术

近些年，随着数控加工高效高精化需求的日益提高，直线电机进给系统以其出众的大推力、高速度、高加速度以及高精度等优点，在高档数控机床中具有广阔的应用前景。然而直线电机进给系统取消了所有中间机械传动环节，电机动子直接和驱动部件相连。受驱动电路和电机结构非线性影响，众多的推力谐波成分直接作用于机械系统，造成明显的振荡。而机械系统的振荡又会反作用直接影响电机的推力特性。伺服驱动与机械系统之间的相互作用关系更加紧密。系统的动态特性由伺服驱动、机械部件以及两者的相互作用关系共同决定。

目前研究分析工作中，将伺服驱动和机械系统进行了人为的分离，推力谐波的分析仅仅是针对直线电机，并没有直接映射到最终的位移波动上。控制补偿模型中，将机械系统等效为简单的单惯量系统。直线电机进给系统的零传动结构，使得伺服驱动和机械系统直接的作用关系更加紧密，如何能够综合考虑伺服驱动特性以及机械动态特性，建立直线电机进给系统的机电集成模型，对于分析进给系统中各类扰动的影响、主要误差来源以及机电耦合问题和集成设计方法都具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种直线电机进给系统机电集成建模方法，能够综合考虑伺服驱动特性、机械动态特性以及二者的相互关系，分析系统的运动精度，为集成设计方法提供依据。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种直线电机进给系统机电集成建模方法，包括以下步骤：

步骤一，分析与计算伺服驱动电路中各环节非线性因素产生的输出电压谐波；

步骤二，建立电流环控制模型，将步骤一得到的电压谐波以干扰的形式引入模型，利用传函理论和拉式变换，得到作为伺服输出电流的电流环输出的三相电流；

步骤三，利用麦克斯韦方程以及许克变换，得到考虑直线电机磁链谐波、端部效应以及齿槽效应等非线性因素的电机气隙磁场，结合步骤二得到的伺服输出电流，利用电磁能量法计算得到电机的输出推力；

步骤四，利用拉格朗日方程计算得到直线电机进给系统的机械动力学方程；

步骤五，根据位置环采用P控制，速度环采用PI控制，电流环等效为比例增益，将步骤一至三中的伺服驱动电路、电流环以及直线电机三部分的非线性特性表示为电机输出推力，以干扰的形式引入模型；将步骤四的机械动力学方程中除进给方向以外的其他方向上的动态特性分别等效为相对独立的二阶振荡系统引入集成模型，通过实验辨识得到模型中的各个参数，最终建立如下的进给系统机电集成模型，

[(x_i-x₀)·G_p(s)-x₀·s]·G_v(s)·K_A·K_F＝F_m

(F_m+F_r)·G_mf(s)+∑(F_m+F_r)·G_mi(s)＝x₀