基于ANSYS8.0的永磁直線電機(jī)的有限元分析及計(jì)算

基于ANSYS8.0的永磁直線電機(jī)的有限元分析及計(jì)算,基于,ansys8,永磁,直線,電機(jī),機(jī)電,有限元分析,計(jì)算 新型直接驅(qū)動(dòng)管型直線無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)的發(fā)展Won-jong Kim and Bryan C.Murphy摘要：這篇文章介紹了一種新型管型直線無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，磁體作為運(yùn)動(dòng)部件依照NS-NS—SN-SN的方式導(dǎo)向的，這樣在同名極區(qū)域能夠產(chǎn)生更高的磁力。我們發(fā)展了一種分析的方法用來(lái)計(jì)算這種電動(dòng)機(jī)推力和設(shè)計(jì)傳動(dòng)器的大小。直線電動(dòng)機(jī)與一個(gè)位置檢測(cè)器，3個(gè)功率放大器和一個(gè)控制器協(xié)力運(yùn)行，這樣形成了一個(gè)完整的控制緊密致動(dòng)的解決方案。實(shí)時(shí)數(shù)字控制器提高了電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能并且增益調(diào)度的使用減少了非線性死區(qū)的影響。在它的初速電流狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)對(duì)一個(gè)5-mm的階躍命令的響應(yīng)具有30ms的上升時(shí)間， 60ms的穩(wěn)定延遲時(shí)間和25% 超調(diào)量。電動(dòng)機(jī)有1.5m/s的最大速度和最高10g的加速度。它有一個(gè)10－cm的工作行程和最大26n的輸出推力。這種電動(dòng)機(jī)緊湊的尺寸顯示它能夠用在需要中等輸出力和精度的機(jī)械應(yīng)用中，比如說(shuō)機(jī)器人gripper定位或者傳動(dòng). 值得注目的是電動(dòng)機(jī)的移動(dòng)部分能夠伸展超過(guò)它的固定支撐基座。這個(gè)延伸的能力使它在需要一個(gè)小的，直接驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器應(yīng)用中非常有用，因?yàn)檫@種致動(dòng)器工作環(huán)境是在一個(gè)不舒服，拘束的空間環(huán)境中。關(guān)鍵字: 直接驅(qū)動(dòng)的直流電動(dòng)機(jī)，直線 致動(dòng)器，永磁電動(dòng)機(jī)，實(shí)時(shí)數(shù)字控制，管型電動(dòng)機(jī)1. 引言在本文中所記述的工作的目的是發(fā)展一種新型的具有快速，平滑，帶10-cm工作行程緊密定位的致動(dòng)器。在圖1中所示的直接驅(qū)動(dòng)的管型直線無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)（LBPMM）有一個(gè)無(wú)槽的定子，能夠提供沒(méi)有頓振的平滑轉(zhuǎn)換。這個(gè)設(shè)計(jì)選擇犧牲更高的輸出推力的能力，來(lái)實(shí)現(xiàn)平滑致動(dòng)。這種致動(dòng)器的應(yīng)用包括緊密定位和機(jī)器人致動(dòng)的需要。在靈巧的手[1]和終端復(fù)合連接的機(jī)器人手臂中直線致動(dòng)器用來(lái)作為機(jī)器人的末端受動(dòng)器。Budig 論述了不同的直線電動(dòng)機(jī)在許多不同的領(lǐng)域中的應(yīng)用[2]。圖1.裝配好的管裝直線電動(dòng)機(jī)安裝在精密光學(xué)桌面上，用銅管和右邊的LVDT連接。永磁體放在銅管里面。在電動(dòng)機(jī)后面可以看到放大器直線致動(dòng)器被用在水壓的或是氣壓泵中，在需要高輸出力的無(wú)精確下滑要求的應(yīng)用中相當(dāng)有效。其他的致動(dòng)器使用無(wú)靜電回轉(zhuǎn)電機(jī)和導(dǎo)螺桿或是其他的旋轉(zhuǎn)到直線轉(zhuǎn)換裝置相連接，這就帶來(lái)了根多的復(fù)雜因素包括增長(zhǎng)的反沖和移動(dòng)部分因?yàn)槁?lián)接或齒輪增加的質(zhì)量。因此, 由永磁體和載流線圈組成的LBPMM,特別適合用來(lái)做精密定位上的應(yīng)用。在LBPMM和其他直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的領(lǐng)域（直接驅(qū)動(dòng)就是指負(fù)載由電動(dòng)機(jī)直接推動(dòng)），以經(jīng)有了很多的貢獻(xiàn)。LBPMM常被應(yīng)用在單自由度和多自由度的精密定位中。 Lequesne調(diào)查了許多按照轉(zhuǎn)換率在5到20mm內(nèi)而設(shè)計(jì)的永磁直線電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)。 [3]Kim和Trumper et. al論證了一個(gè)6自由度的平板LBPMM能夠被用在納米級(jí)的精密定位中 [4,5]。這個(gè)裝置是由包含一個(gè)固定基座的載流線圈組成，固定基座在由永磁體陣列組成的滾筒的下面。當(dāng)給它一定的電壓，線圈輕輕浮在滾筒中，并允許重要的平移和旋轉(zhuǎn)在底盤(pán)平面里。Berhan, 等人討論了Halbach磁體陣列[6]在新型無(wú)鐵心管型LBPMM中的使用[7,8] 。Halbach 陣列是由軸對(duì)稱(chēng)的八邊形導(dǎo)向矩形永磁體形成的，它可以近似的等效為一個(gè)圓柱型的Halbach陣列。本文所提出設(shè)計(jì)的的電動(dòng)機(jī)和以上所提到的電動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別它有一個(gè)更簡(jiǎn)單的由圓柱型永磁體組成的mover，具有更緊湊的尺寸，在建筑里的使用也更加容易。Ishiyama, 等人設(shè)計(jì)了一種管型LBPMM能夠用來(lái)作為驅(qū)動(dòng)圖像閱讀裝置里的托架和其他用途的工具[9] 。這個(gè)設(shè)計(jì)遺留下一批空的成放射狀磁化的永磁體，每個(gè)磁極與鄰近的磁極相互吸引。這種結(jié)構(gòu)常常被用來(lái)制造相關(guān)的長(zhǎng)型管型磁鐵陣列，作為電動(dòng)機(jī)的固定組成部分。本次的設(shè)計(jì)與其主要不同在于磁體的磁化方向和電機(jī)的構(gòu)造。被提到的設(shè)計(jì)也包含一個(gè)固定的磁體序列和外部線圈作為運(yùn)動(dòng)機(jī)件。這和本文所討論的的電動(dòng)機(jī)完全不同，因?yàn)閕n the latter 被永磁體包圍的管子能夠自由的伸出超過(guò)支撐的底座。Zhu, 等人建立了一個(gè)管型LBPMM并討論了最小限度頓振 [10]。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，討論了多相電動(dòng)機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。和[9]中相似的放射性磁化磁體和 axially-magnetized磁體在作者的設(shè)計(jì)中都是作為具體化的選項(xiàng)。這個(gè)設(shè)計(jì)采用定子鐵心，由此鼓動(dòng)頓振推力到系統(tǒng)中。[10]中討論的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的主要性能目標(biāo)是最大化力/電流比和力/體積比。這次設(shè)計(jì)的目的主要是期望獲得極佳的精密定位性能，輸出力只是作為可供參考的指標(biāo)。Liaw, 等人開(kāi)發(fā)了一種魯棒性位置控制LBPMM[11]。Shieh和Tung一個(gè)LBPMM 的控制器用在制造業(yè)的系統(tǒng)中[12]。Brückl討論了直線電機(jī)在超高精度機(jī)床上的應(yīng)用 [13],這也是我們這次設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)可能的用途之一。Basak和Shirkoohi使用軟件對(duì)NdFeB magnets直流無(wú)刷直線電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算。[14] Lee論證了使用鋸齒狀部件在圓柱型直線電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的可行性，使用這種部件的好處在于能夠使裝配容易并且防止電機(jī)運(yùn)行時(shí)熱度過(guò)高[15]。Trumper等人論述了電磁序列能夠在2維和3維場(chǎng)方向圖中產(chǎn)生通過(guò)線圈中變化的電流密度[16]。Ishiyama介紹了一種用于圓柱形直線電動(dòng)機(jī)定子的設(shè)計(jì)方法，就是使用一個(gè)固定機(jī)械裝置來(lái)結(jié)合由相鄰永磁體的相對(duì)面形成的環(huán)[17]。Akmese等人記述了電機(jī)參數(shù)的計(jì)算機(jī)分析方法和磁場(chǎng)頓振推力的有限元分析[18]。Eastham, 等人 論述了無(wú)刷管型直流電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)[19]。上述所提到的設(shè)計(jì)概念，特別是在[7-10]中討論過(guò)的，在總體性能上和這次設(shè)計(jì)有相似的地方，但是這次的設(shè)計(jì)和以往還是有重要的區(qū)別之處。本次設(shè)計(jì)考慮到緊湊輕薄形圓柱管型致動(dòng)器的要求，使它能自由的伸展超過(guò)支撐底盤(pán)。這次使用無(wú)鐵心和無(wú)槽設(shè)計(jì)，大大消除了頓振的產(chǎn)生，使電動(dòng)機(jī)能夠平滑運(yùn)動(dòng)。底部采用無(wú)鐵心的設(shè)計(jì)，因此沒(méi)有鐵軛對(duì)磁場(chǎng)的集束效應(yīng)，使得電動(dòng)機(jī)效率受到損失。電動(dòng)機(jī)的緊密設(shè)計(jì)使其可適用于狹小空間中的機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。系統(tǒng)具有的良好的電壓穩(wěn)定性有助于自身在精密定位領(lǐng)域中的應(yīng)用。在下面的章節(jié)中，我們將通過(guò)對(duì)控制穩(wěn)定和電動(dòng)機(jī)規(guī)格兩方面的討論來(lái)介紹電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。然后介紹滿足特殊運(yùn)動(dòng)要求的控制器的設(shè)計(jì)，同樣的也介紹了滿足2個(gè)特殊的機(jī)器人致動(dòng)要求的最優(yōu)化控制器的設(shè)計(jì)步驟。通過(guò)對(duì)一些實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果來(lái)舉例說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)不同輸入的響應(yīng)特性，有些還包括了外加負(fù)載的影響。當(dāng)輸出最大推力的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)還能夠保持穩(wěn)定，對(duì)這個(gè)工作的討論在[20]中有詳細(xì)論述。2．電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)2.1.概念設(shè)計(jì)圖2顯示了電動(dòng)機(jī)概念結(jié)構(gòu)，沒(méi)有磁體和線圈的詳細(xì)尺寸。圓柱形永磁體被放置成NS-NS—SN-SN的方式并且在每對(duì)之間相互間隔。磁體的剖面必須和線圈的剖面相匹配，并且成對(duì)的磁體陣列剖面也要和線圈的剖面一致。磁體被固定在一個(gè)可以自由滑動(dòng)的銅管里組成電動(dòng)機(jī)的mover。三相電磁線圈標(biāo)注為A ，B，C 。每個(gè)線圈最外面的和最里面的繞組都由引出導(dǎo)線，線圈按照一定的順序排列，使得每個(gè)線圈有三分之一位于同一相。線圈構(gòu)成定子，mover 被放置在定子里。當(dāng)線圈裝有動(dòng)力的時(shí)候，就會(huì)依照洛倫茲力方程對(duì)永磁體施加力，從而促使了mover的平移。圖 2磁體的長(zhǎng)度（沿Z軸方向）設(shè)定為和線圈一樣。因此需要設(shè)計(jì)的參數(shù)為磁體的長(zhǎng)度，磁體的外半徑和線圈的內(nèi)半徑（取決與在兩者之間的氣隙），線圈的外半徑。磁體序列固定在銅管里，之間留出空間給磁體和線圈氣隙。2．2電動(dòng)機(jī)推力計(jì)算和sizing為了確定詳細(xì)的設(shè)計(jì)參量，必須制定出量化的期望的性能標(biāo)準(zhǔn)。在這里，概念上的設(shè)計(jì)保證了平滑移動(dòng)的要求，因?yàn)闆](méi)有能產(chǎn)生頓振的鐵槽。剩下的感興趣的性能參數(shù)是最大輸出力。洛倫茲力方程f = ∫ ( J × B) dV支配了電流線圈和永磁體的互感。輸出力是線圈電流密度向量和永磁體產(chǎn)生的通過(guò)整個(gè)線圈的磁通密度向量乘積的體積分。單個(gè)磁體和單個(gè)線圈的互感是對(duì)輸出力的主要影響。根據(jù)對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展和簡(jiǎn)化，洛倫茲力方程變?yōu)椋?）。一些幾何的參數(shù)在圖3中給出。詳細(xì)的推導(dǎo)過(guò)程在[20]中給出，[21,22] 中的材料對(duì)此非常有幫助。每個(gè)線圈的自感系數(shù)和阻抗分別為0.500 mH和0.552 ?。通過(guò)每個(gè)線圈的最大限度為3A。經(jīng)過(guò)評(píng)估我們選擇圓柱的NdFeB永磁體。它最大的能量積為0.4MJ/m3 (50 MGOe).選擇磁體直徑為10.0-mm (0.395”)，長(zhǎng)度為9.53-mm (0.375”)，最小剩磁為1.20 T。留下合適的空間給外直徑為11.1-mm (7/16”) 的銅管來(lái)放置磁體，使其并能夠不接觸線圈自由滑動(dòng)，線圈的內(nèi)直徑12.2 mm，外直徑為33.2 mm.。沿Z軸的長(zhǎng)度選擇為9.53相對(duì)于磁體的長(zhǎng)度。使用AWG #21 線圈，179繞數(shù)在設(shè)計(jì)封裝里。 圖 3基于以上的規(guī)格尺寸，單個(gè)磁體和單個(gè)線圈之間的力/電流和對(duì)應(yīng)的位移（Z）的函數(shù)關(guān)系可以用（1）來(lái)決定。數(shù)學(xué)CAD用來(lái)求解不同位移下的力/電流。這些結(jié)果在圖4中給出。這些圖中的點(diǎn)是通過(guò)在數(shù)學(xué)CAD中反復(fù)求解得出的。把這些點(diǎn)經(jīng)過(guò)線性插補(bǔ)連成一條連續(xù)直線的線。圖42．3 機(jī)械設(shè)計(jì)定子由9個(gè)線圈（每相3個(gè)）組成，在每對(duì)磁鐵之間采用鋁使得能和磁體粘合在一塊。磁體和鋁的粘合是涂環(huán)氧的PC-7在外表面。磁體的由4個(gè)磁體和兩個(gè)組成，共63.3mm。一個(gè)銅管被用來(lái)裝磁體和。管子的外直徑為11.1-mm(7/16”)，管壁厚0.356 mm (0.014”) ，長(zhǎng)305 mm (12.0”)。磁體和spacer在管子中按照NSNS—SN-SN的方向排列。在銅管里的磁體能夠通過(guò)9線圈集來(lái)轉(zhuǎn)換，如圖2所示。支撐銅管的尼龍軸承用Delrin固定在定子的兩端來(lái)保持住。當(dāng)把線圈面對(duì)面的粘合起來(lái)的時(shí)候，0.787- mm厚的多層pr用來(lái)留下一個(gè)間隙在在spacer的內(nèi)直徑到外直徑處開(kāi)槽留下空間給引出的金屬導(dǎo)線。Spacer是縱傾的因此它的內(nèi)直徑就會(huì)比線圈的大，外直徑會(huì)比線圈的小。這樣就能使銅管在線圈中自由滑動(dòng)并留下空間給引出的空間導(dǎo)線使其能在周?chē)m當(dāng)?shù)牡胤奖话b。被添加的有效厚度為1.03mm 。因此定子由6個(gè)線圈和6個(gè)spacer 組成共63.3mm ，和磁體一樣。2.4. 整流為了提供平穩(wěn)的三相電流給電動(dòng)機(jī)，一個(gè)整流等式關(guān)于基于位置的力和電流是需要的。為了方便，坐標(biāo)約定和圖2的一樣，相關(guān)的定義在[8]中，這樣變化方程就能夠使用而無(wú)需作重大修改。上文提到的交換等式在（2）中給出。這里用C 替換了部分幾何參量。變量1，2，3相對(duì)于線圈的三相電流。4.方程2提供了包含一個(gè)未知量C的3個(gè)等式，當(dāng)知道了電流，就可以確定位移和力的值。為了找到一個(gè)合適的C的值，要完成分析和實(shí)驗(yàn)手續(xù)。在每種情況里，平衡的三相電流和位移是固定的。在統(tǒng)計(jì)調(diào)查了C的數(shù)據(jù)，選擇中間值。當(dāng)c確定下后，控制器的輸出就能變換出3個(gè)期望的跟隨輸出電流?？刂破鞯妮敵隽渴橇?線圈電流的最大擺動(dòng)幅度是3A，和控制器板的輸出電壓成正比。因此，跨導(dǎo)放大器增益為0.333A/v。為了分析確定電動(dòng)機(jī)的力的性能，必須總計(jì)每個(gè)磁體-線圈互感的單獨(dú)貢獻(xiàn)。線圈的pitch和磁體的相適應(yīng)，因此每相的單個(gè)線圈的力的貢獻(xiàn)是一樣的。每相力/電流的值要*3。因?yàn)槊肯嘤?個(gè)線圈。從圖4，可以清楚的看到當(dāng)磁體超過(guò)30mm，力的貢獻(xiàn)可以忽略，因此只有每個(gè)線圈中最靠近的6個(gè)磁體能夠貢獻(xiàn)。表1列舉了在最靠近的6個(gè)磁體間的和在每相單個(gè)線圈的力貢獻(xiàn)。磁體的相應(yīng)編號(hào)被標(biāo)注在圖2中。通過(guò)增加每相的輸出力建立合力。表1顯示了最大輸出力時(shí)的位置和電流條件，緩和了平衡3相條件。輸出力的最大限度確定為29.6N，當(dāng)考慮到平衡的3相條件，最大的輸出力為19.4N。2.5.實(shí)驗(yàn)步驟和使用儀器實(shí)驗(yàn)步驟顯示在圖5中。線性可變微分變壓器（LVDT）通過(guò)導(dǎo)螺桿和電動(dòng)機(jī)的mover相連。LVDT輸出模擬位置信號(hào)給實(shí)驗(yàn)電路，經(jīng)過(guò)conditioning circuit 的整流濾波，再送到DS1104控制器板的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換信道?？刂瓢逄幚磉@個(gè)位置信號(hào)，然后輸出合適的控制信號(hào)給PWM放大器。然后放大器產(chǎn)生正比與電壓的電流給線圈，用來(lái)對(duì)固定在mover中的永磁體施加力的作用，產(chǎn)生平移。下面詳細(xì)介紹了步驟所要用到測(cè)量?jī)x器。3.控制器的設(shè)計(jì)和執(zhí)行在這一節(jié)中，說(shuō)明了系統(tǒng)建模和控制器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。人們?cè)O(shè)計(jì)了各種各樣的控制器來(lái)更好的達(dá)到期望的性能特征在機(jī)器人技術(shù)中的應(yīng)用。在每種方案中，核心都是一個(gè)典型的控制器。增益的時(shí)序安排被用來(lái)實(shí)現(xiàn)減少響應(yīng)死區(qū)域的影響。有兩個(gè)主要的性能指標(biāo)要考慮。第一個(gè)性能指標(biāo)是在最小位置噪音下的快速上升時(shí)間，這也是許多緊密定位應(yīng)用的要求。第二個(gè)性能指標(biāo)是小的或沒(méi)有超調(diào)量，在一些超調(diào)量可能意味著不受歡迎的碰撞的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用中會(huì)有要求。3．1培養(yǎng)模型LVDT允許自身的鐵心無(wú)接觸的滑動(dòng)，因此使得系統(tǒng)中沒(méi)有摩擦力的產(chǎn)生。尼龍軸承定位于直線電動(dòng)機(jī)的兩端使得幾乎沒(méi)有摩擦給系統(tǒng)，所有摩擦力在最初的系統(tǒng)建模中可以忽略。因此。系統(tǒng)可以建模作為純質(zhì)量系統(tǒng)。動(dòng)子的質(zhì)量在精密天平上測(cè)量為175g。相應(yīng)的平臺(tái) 傳遞函數(shù)為（3）3．2 控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)被建模為純質(zhì)量的，所有模型在邊上穩(wěn)定的。為了減少上升時(shí)間和增加的衰減，加上了一個(gè)引導(dǎo)補(bǔ)償器。為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，包括了一個(gè)lag補(bǔ)償器。在可以接受的衰減條件下，系統(tǒng)應(yīng)該有一個(gè)超過(guò)60度的相位裕度。為了零穩(wěn)態(tài)誤差，一個(gè)極點(diǎn)被放在s-平面的原點(diǎn)。要求的最小上升時(shí)間限定在較低的系統(tǒng)增益的限度內(nèi)，然而實(shí)際上，實(shí)際增益比這個(gè)限度要高很多。因此剩下的極點(diǎn)和零點(diǎn)通過(guò)許多次反復(fù)的誤差實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。Matlab函數(shù) ‘rlool’用來(lái)最終確定控制器的參數(shù)，以達(dá)到合適的動(dòng)態(tài)性能。方程（4）給出了在5-kHz 取樣頻率下的控制器的離散時(shí)間域下的變換。（4）這個(gè)控制器在轉(zhuǎn)線路頻率為49hz下產(chǎn)生73。6度的相位差，可適用于在一個(gè)要求快速階躍響應(yīng)同時(shí)可以接受20－30％的超調(diào)量的應(yīng)用中。許多其他的控制器也被發(fā)展并且它們的性能要檢驗(yàn)以確定它們適用于具體的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用中。比如在無(wú)超調(diào)量和高數(shù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位的應(yīng)用。3．3 增益調(diào)度將在第四節(jié)討論的，在實(shí)驗(yàn)的階躍響應(yīng)中，有兩個(gè)最總要的問(wèn)題，高振幅噪音和重大的dead－band區(qū)域prsent。重新設(shè)計(jì)了構(gòu)成后，噪音能夠通過(guò)軟件過(guò)濾器顯著的減小。系統(tǒng)響應(yīng)中 的t是由在系統(tǒng)中的非線性摩擦引起的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的移動(dòng)到期望點(diǎn)的附近時(shí)。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在最終位置的附近，誤差是小的，然而，控制器需要時(shí)間積累足夠大的命令電流來(lái)讓電動(dòng)機(jī)克服摩擦力。結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)重大的時(shí)間延遲。為了消除這個(gè)死區(qū),要就要執(zhí)行增益的時(shí)序安排。一個(gè)50um以?xún)?nèi)的死區(qū)要保留來(lái)防止干擾的劇增當(dāng)接近期望的最終評(píng)估。圖6給了系統(tǒng)響應(yīng)一個(gè)20－mm的輸入命令，帶有或沒(méi)有增益時(shí)序安排執(zhí)行。這里使用的控制器被明確設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)到達(dá)指定位置而無(wú)超調(diào)量的目標(biāo)。然而這導(dǎo)致了它比較慢，特別是在大的階躍時(shí)。通過(guò)增益時(shí)序安排的方法的影響顯著的減小了。同時(shí)上升時(shí)間從超過(guò)7s降低到少于0.8s。4．實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了測(cè)定電動(dòng)機(jī)適用的范圍有多廣，我們進(jìn)行了很多的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試電動(dòng)機(jī)的性能。同時(shí)根據(jù)電動(dòng)機(jī)不同的應(yīng)用修改了一些控制的設(shè)置，以便在每個(gè)應(yīng)用中能達(dá)到最優(yōu)化控制。這些修改包括濾波，增益調(diào)度以及路徑規(guī)劃。應(yīng)該注意到所有讀取的有關(guān)位置的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)LVDT過(guò)濾的信號(hào)。4.1.電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)力的實(shí)驗(yàn)測(cè)定為了測(cè)定出電動(dòng)機(jī)的最大拉力輸出，實(shí)驗(yàn)中將保持三相線圈中電流恒定，同時(shí)通過(guò)滑輪和懸掛在上面的負(fù)載給電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)外力，如圖7所示。圖 7通過(guò)給懸掛的負(fù)荷加上一些小的砝碼，使負(fù)荷重量增加直到達(dá)到電動(dòng)機(jī)的輸出拉力，這時(shí)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始釋放負(fù)載，使其落下。移去剛加上去的質(zhì)量，通過(guò)天平測(cè)出剩下的質(zhì)量。將這個(gè)質(zhì)量乘以引力常數(shù)就可以確定輸出拉力。當(dāng)通過(guò)線圈每相的最大電流是3A時(shí)，輸出拉力26.3N。通過(guò)式（1）計(jì)算出來(lái)的相關(guān)力的理論值是29.6N。4.2.階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)是測(cè)量直線傳動(dòng)器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可操作性的有用工具。許多應(yīng)用要求傳動(dòng)器能夠盡可能快的從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)。其他重要的特性是超調(diào)量百分比，穩(wěn)定延遲時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差。圖8中的第一個(gè)繪制的是系統(tǒng)對(duì)40-um階躍命令的響應(yīng)。響應(yīng)上升時(shí)間少于0.3s，穩(wěn)定延遲時(shí)間大約是0.4s。這些瞬態(tài)響應(yīng)相對(duì)于40赫茲的系統(tǒng)交叉頻率來(lái)說(shuō)是很慢的。相信是尼龍軸承的摩擦和死區(qū)的降低了這個(gè)微小運(yùn)動(dòng)。在圖8中的第二條線顯示了5-mm的階躍響應(yīng)。在沒(méi)有嚴(yán)重的非線性影響的條件下，上升時(shí)間和穩(wěn)定延遲時(shí)間分別為20ms和60ms。很清楚的表明系統(tǒng)的精密定位要好于20um。而對(duì)精密定位的限制因素在于LVDT傳感器電的精度和它的電子噪音干擾。采用一臺(tái)更好精密度的傳感器就能提高電動(dòng)機(jī)的定位精度。圖9說(shuō)明了系統(tǒng)對(duì)2cm到5cm相互間隔1cm的階躍信號(hào)的響應(yīng)。在這些響應(yīng)中，上升時(shí)間少于0.1s，穩(wěn)定延遲時(shí)間在0.2到1s的范圍內(nèi)，超調(diào)量為20到25％。上升和還原時(shí)間的不同是因?yàn)樵诮Ｖ斜缓雎缘囊蛩兀ū热缢绤^(qū)，軸承摩擦）存在于系統(tǒng)中的關(guān)系。電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要的屬性就是在增加的負(fù)荷下它的執(zhí)行性能。為了這個(gè)目的，我們?cè)谝恍╇A躍響應(yīng)中通過(guò)滑輪給系統(tǒng)加上了5N的負(fù)荷，如圖7所示。圖10給出了帶負(fù)荷的系統(tǒng)階躍響應(yīng)，范圍在5mm到5cm之間，與所加負(fù)荷方向相反。系統(tǒng)的上升時(shí)間，還原時(shí)間和超調(diào)量的范圍分別為30到100ms，這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У臏y(cè)量出電動(dòng)機(jī)在帶負(fù)荷階躍條件下的應(yīng)用性能。5．總結(jié)一個(gè)對(duì)新型直接驅(qū)動(dòng)永磁管型電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)介紹完了。設(shè)計(jì)這個(gè)電動(dòng)機(jī)的目的是提供許多機(jī)器人技術(shù)所需要的致動(dòng)解決方案；主要是緊湊的，快速的，平滑的，精密定位的。這個(gè)設(shè)計(jì)由一個(gè)位置傳感器，三個(gè)功率放大器和一個(gè)控制器與設(shè)計(jì)的直線電動(dòng)機(jī)協(xié)力運(yùn)行組成了一個(gè)完整的精密致動(dòng)和控制的解決辦法。Lead-lag控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)增加了位移速度并減小了穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量。增益調(diào)度的實(shí)現(xiàn)減少了死區(qū)的影響。電動(dòng)機(jī)能夠通過(guò)10-mm工作行程in 67 ms 相當(dāng)于約1.5 m/s的速度，并且能夠達(dá)到10g的加速度。系統(tǒng)對(duì)5-mm 階躍命令的響應(yīng)的上升時(shí)間，穩(wěn)定延遲時(shí)間和超調(diào)量分別為30ms，20ms 和25% 。電動(dòng)機(jī)緊湊的大小和伸展運(yùn)動(dòng)部件超過(guò)它支撐基座的能力，使它非常適合在許多空間受制約的運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用。