点击标题下「中国电机工程学报」即可 　　推力平稳和运行可靠一直是同步直线电机在高性能工业应用中的主要优势，其在各种半导体工艺、微型系统组装和精密计量等领域应用广泛。由于取缔了中间机械传动装置，同步直线电机推力直接作用于被驱动组件，故其推力波动引起的振动和噪音是同步直线电机应用方面的主要问题之一。因此，准确检测出同步直线电机推力波动特性十分必要。

　　然而，直线电机推力检测方法尚未发展成熟，检测过程多依赖砝码重物或旋转电机配合滚珠丝杠等方式为被测电机提供负载，测量干扰大精度低，无法满足高标准系统要求。

2论文所解决的问题及意义

　　针对同步直线电机推力波动特性检测的难点，提出了一种在同一导轨上采用两台同型号同步直线电机互为负载的推力波动检测方法，分析了同步直线电机推力波动成因以及检测干扰导入方式，设计了相应的检测系统，并通过不同检测形式的实验数据分析对比验证了该方法的可行性以及优势。

3论文重点内容

　　1）推力波动的成因分析。

　　同步直线电机的推力波动中90%以上的成分是定位力，以应用广泛的单边凸极永磁同步直线电机为例，其不存在磁阻力，推力波动主要由端部定位力和齿槽定位力组成，如图1。通过解析计算该电机模型的端部定位力和齿槽定位力可以推导得到其推力波动如下：

(1)

式中：an为傅里叶级数各项系数；τ为极距；x为位移；φ为各级数相位；δ=kτ-Ls，k为整数，且Ls为动子长度。

　　式(1)所示周期和图1(d)相符，在有限元仿真中推力平均值为30.2N，推力波动百分比为30.5%。可知，在推力检测过程中，应避免采用推力或转矩波动周期与该周期相近的电机作为陪测，以免无法分离被测电机本身的推力波动和陪测电机带来的干扰。但由于陪测电机的干扰多种多样很难分离，故必对测量精度造成影响。

图1单边凸极永磁同步电机模型

　　2）推力波动测试系统设计。

　　该测试系统使用两个相同型号的直线电机动子，在同一定子导轨上带动运行进行测试。由于工业产品的一致性，在相应位置下检测到的波形应是两个相位、幅值以及波动情况均相同的推力波动波形的叠加。此方法避免了使用其他带动装置进行陪测而带来的干扰。检测系统主要由陪测和被测直线电机、位置速度检测装置、力特性检测装置、电机驱动控制系统、信号反馈闭环控制电路以及数据处理模块组成，具体结构如图2所示。

图2推力波动测试系统结构图

　　两个电机动子为相同型号，当两电机处于适当的相应位置时，会出现比较明显的正弦波形，利用快速傅里叶变换和无限冲激响应(infiniteimpulseresponse，IIR)数字滤波器对采集得到的波形进行处理，进而得到被测直线电机的推力特性。实验测试流程如图3所示。

图3推力波动检测流程图

　　3）推力波动测试实验。

　　实验装置与推力波动：实验中使用的直线电机型号为安川SGLFW-35AA，整个系统由直线电机及其伺服器、雷绍尼光栅尺、24V直流电源、EMAC运动控制系统、机械连接结构、5层电磁屏蔽铜网包裹的拉压力传感器、信号放大器、NI数据采集卡和工控机组成。在使用刚性连接且电机以0.5m/s速度运行时，被测直线电机推力波形如图4所示，对采集的推力数据使用IIR数字滤波器的数据处理方法。图中表明推力平均值为29.5N，推力波动百分比为23.7%，由于电机运行过程中的控制作用，因此对比仿真波形，推力波动检测波形推力平均值和波动百分比都有所下降。图5为经过快速傅里叶变换得到的幅度-频率图，横轴为傅里叶分解后各谐波分量频率值，纵轴为对应的谐波分量幅值。图中高次谐波幅值很低，杂波含量少，干扰作用较小。

图4被测电机0.5m/s速度时推力特性

图5快速傅里叶变化后幅度-频率图

　　被测直线电机的最大静推力随电机绕组电流变化情况如图6所示，根据实验数据计算得到，被测电机的最大静推力系数为62.1N/A，与电机铭牌中数值相符。被测电机的额定电流为1.4A，电机推力在绕组电流超出额定电流0.31A后逐渐出现饱和现象，与实际情况相符。

图6最大静推力图

　　其它实验条件下的推力波动：当使用柔性连接代替刚性连接进行实验时，两块质量相同的重物分别连接电机动子的两端，并通过滑轮吊在空中。柔性连接始终保持张紧，从而在静止状态下两块重物对动子作用力平衡。图7是钢绳作为柔性连接的检测结果，与图4对比分析可知，由于实际检测中不可避免会有机械结构连接的干扰和钢绳本身在运行中可能产生的抖动，因此柔性连接精准地反映了力传递，但是推力波动特性没有得到单独、完整的体现。

图7钢绳连接—0.5m/s速度时推力波动

　　相对地，使用旋转电机通过滚珠丝杠拖动被测直线电机检测其推力特性，如图8所示。图中可看出，在相同速度下，其推力特性波形中耦合了明显的转矩波动，在单位周期内转矩波动的个数与作为连接件的滚珠丝杠的螺距有关。对比刚性连接检测结果，旋转电机本身引入的转矩波动和滚珠丝杠机械结构上引入的干扰，使推力特性的检测结果成分复杂，难以解耦，可信度较低。

图8旋转电机拖动-0.5m/s速度时推力波动

4结论 　　低波动高精度是高性能系统用同步直线电机的技术目标，其推力检测也成为科研重点。本文分析了单边凸极永磁同步直线电机电磁推力波动，设计了一种同型号电机互为负载进而精确求解电机推力波动的检测方法，其以刚性连接作为连接机构。实验通过调整电机间距使推力波动处于同相位，经数据处理后得到被测电机推力波动特性，并分析了电机在某一位置最大静推力与电流的关系，实验表明本文提出的推力波动检测方法实验波形较为准确地与仿真分析吻合。本文还将柔性连接测量方式和旋转电机带滚珠丝杆的传统测量方式与其进行实验对比，验证了该方法具有结构简单、检测精度高的优点。

引文信息

王伟华,张子娇,周海波,等.一种同步直线电机推力波动特性的检测方法[J].中国电机工程学报,,36(2):-.

WangWeihua,ZhangZijiao,ZhouHaibo,etal.Amethodfordetectingthethrustfluctuationcharacteristicsofsynchronouslinearmotors[J].ProceedingsoftheCSEE,,36(2):-(inChinese).

团队介绍

　　直线电机精密检测团队是中南大学高性能复杂制造国家重点实验室下的一支研究团队，由副教授周海波老师担任负责人，包括1名教师和7名研究生。其所在实验室为高性能复杂制造国家重点实验室，具备平台运动分析与测量、构件应力测试分析、机械结构测试分析等关键仪器设备，为直线电机精密检测的顺利开展和优质完成提供了充分的技术保障。

　　周海波（），男，副教授，博士生导师。IEEEMember，主要科研方向有：机电系统的设计、建模与控制；智能控制理论及应用；机电液集成控制理论及应用。近年来，先后主持国家自然科学基金青年基金项目和面上项目各1项，教育部重点实验室开放课题1项，湖南省自然科学基金项目1项，发表学术论文20余篇，其中SCI论文10余篇。参编著作1部。

　　

　　王伟华()，男，硕士研究生，主要从事电机测试与控制方面的研究工作。

　　

　　张子娇（），女，博士研究生。参研重点研发计划等各类科技项目多项。主要研究方向为永磁同步直线电机的设计与分析。近三年在国际国内学术刊物上发表学术论文8篇，其中SCI收录3篇，EI收录5篇。

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