現(xiàn)代直線電機(jī)關(guān)鍵控制技術(shù)及其應(yīng)用研究

王奕飛

摘 要：直線電機(jī)是一種新型電機(jī)，可直接將電能轉(zhuǎn)換為直線運動，而并不需要任何中間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并且可顯著降低系統(tǒng)的損耗，因此在現(xiàn)代社會生產(chǎn)中被廣泛地應(yīng)用，并且發(fā)揮著重要的作用。本文闡述了直線電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并介紹了三種控制技術(shù)，并以直線電機(jī)的往復(fù)運動控制為例，介紹了現(xiàn)代直線電機(jī)的應(yīng)用。旨在加深相關(guān)人員對現(xiàn)代直線電機(jī)控制技術(shù)的認(rèn)識，為其應(yīng)用和發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī);結(jié)構(gòu);原理;控制技術(shù);應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.131

1 直線電機(jī)結(jié)構(gòu)特點和工作原理

1.1 直線電機(jī)結(jié)構(gòu)特點

直線電機(jī)通常可以被看作是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)按照徑向剖開并展平而成的，直接產(chǎn)生直線運動而不依賴任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，在直線運動場合中尤為適用，主要類型有直流直線電動機(jī)、交流直線電動機(jī)，根據(jù)工作原理不同、勵磁方式不同還有更多的分類。和旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，其次級相對于初級進(jìn)行直線運動，因此運行的效率也比旋轉(zhuǎn)電機(jī)更優(yōu)。直線電機(jī)的實際運用中，往往采用動初級、動次級二級結(jié)構(gòu)，因此為了便于對直線電機(jī)的不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行更好的區(qū)分，因此將電機(jī)的靜止部分、運動部分分別定義為定子、動子。另外，直線電機(jī)的加速度大，短時間內(nèi)產(chǎn)生的直線速度極高，并且直線電機(jī)不受離心力的束縛，直線運動速度不受限制。

1.2 工作原理

直線電機(jī)的動作原理和旋轉(zhuǎn)電機(jī)一致，都是利用氣隙磁場作用運行，但直線電機(jī)中以行波磁場為主，輸入電能的轉(zhuǎn)變主要是通過波磁場完成的，并且電能轉(zhuǎn)變時電機(jī)初級運動和次級運動也同時進(jìn)行。直線電機(jī)的運動，需要控制相應(yīng)的參數(shù)，包括起動、加速運動、定速運動和停止等，為減少直線電機(jī)控制電路的提及并提高性能，已經(jīng)越來越多地采用計算機(jī)控制元件，其控制方式已經(jīng)由模擬控制轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字控制，控制精度更高。直線電機(jī)目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了各個領(lǐng)域，如軍事、工業(yè)、民用、交通運輸?shù)取?/p>

2 控制技術(shù)分析

直線電機(jī)的基本原理和旋轉(zhuǎn)電機(jī)一致，因此在直線電機(jī)控制策略中主要有v/f控制、矢量控制和直接推力控制。

2.1 v/f控制技術(shù)

在所有的控制中，v/f控制起著關(guān)鍵的作用，其作用是控制恒壓頻比，與其他控制方式相比，v/f控制更加簡單，也更容易實現(xiàn)。在實際運用中，v/f控制對于調(diào)速性能并無十分高的要求，并且對于水泵等一些負(fù)載無明顯變化的控制系統(tǒng)，該控制技術(shù)可以有效的解決系統(tǒng)平滑調(diào)速困難問題。v/f控制和額定頻率下調(diào)速相比，更夠更加持久的保持壓頻穩(wěn)定，同時在額定頻率不變的基礎(chǔ)上，輸出的電壓值也無明顯的變化，與恒功率調(diào)速控制趨近。v/f控制技術(shù)盡管具有諸多的優(yōu)勢，但仍然需要注意其精準(zhǔn)性，并提高其動態(tài)控制效果，特別是對負(fù)載突變進(jìn)行處理時，v/f控制技術(shù)應(yīng)用后速度變化問題明顯，并且需要花費較長的時間進(jìn)行運行狀態(tài)的調(diào)整，一旦直線電機(jī)處于低速運行狀態(tài)，則該控制技術(shù)應(yīng)用中就可能出現(xiàn)推力輸出不足的問題，此時就需要電壓補(bǔ)償。

2.2 矢量控制技術(shù)

矢量控制即指的是磁場定向控制，在上世紀(jì)70年代由德國學(xué)者提出，該理論提出時就是將交流電機(jī)模擬為直流電機(jī)，目的是讓電機(jī)獲得與直流電機(jī)一樣高性能調(diào)速控制的結(jié)果。矢量控制技術(shù)的原理是基于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將電機(jī)定子電流轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪钡膬蓚€分量，兩個分量分別與直流動機(jī)轉(zhuǎn)矩電流分量、直流電機(jī)勵磁分量相同。由此可見，操作人員進(jìn)行矢量控制中實際是對兩個電流分量進(jìn)行的控制。矢量控制技術(shù)與v/f控制相比，其具有更大的優(yōu)越性，并且已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在了感應(yīng)電機(jī)與同步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)當(dāng)中，但是不同系統(tǒng)中其運行方式存在差異，如感應(yīng)電機(jī)矢量控制就分為了直接與間接兩種方式。

2.3 直接推力控制

當(dāng)前針對直接推力控制的研究較多，最開始這種控制技術(shù)水根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制演變而來的，經(jīng)過長時間的研究和應(yīng)用，德國、日本學(xué)者對交流感應(yīng)電機(jī)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，日本學(xué)者提出，直接轉(zhuǎn)矩控制是通過查詢電壓矢量表實現(xiàn)的電動機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩之間的相互調(diào)節(jié)，同時也被是一種圓形磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，在直接轉(zhuǎn)矩中這種控制方式得到了廣泛地應(yīng)用。德國學(xué)者則在此基礎(chǔ)上提出直接轉(zhuǎn)矩控制思想，即直接自控制技術(shù)。和矢量控制比較而言，直接推力控制的優(yōu)勢在于無需通過矢量分解、坐標(biāo)分量轉(zhuǎn)變便可進(jìn)行直線電機(jī)控制。電動機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)無需引入矢量，可直接在坐標(biāo)系中對電機(jī)磁鏈與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行相互之間的轉(zhuǎn)換，不需要通過電機(jī)數(shù)學(xué)模型。但是直接推力控制存在著轉(zhuǎn)矩與磁鏈脈動等相關(guān)問題，對此，相關(guān)學(xué)者作出了大量的研究，進(jìn)而提出了新的直接轉(zhuǎn)矩控制方式（固定載波頻率），以及自適應(yīng)磁鏈觀測器技術(shù)。

3 直線電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析——以直線電機(jī)的往復(fù)運動控制技術(shù)應(yīng)用為例

在現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展下，直線電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用讓操作人員的控制能力得到了進(jìn)一步的提升。筆者以直線電機(jī)的往復(fù)運動控制技術(shù)應(yīng)用為例，討論如下。

直線電機(jī)往復(fù)運動需要分析系統(tǒng)的位置跟蹤時誤差，包括加速/減速運行狀態(tài)、空載運行狀態(tài)、負(fù)載運行狀態(tài)等，同時提出與之對應(yīng)的，對直線電機(jī)控制系統(tǒng)位置誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞健Ｖ本€電機(jī)的運行中，位置曲線的設(shè)置可采用斜坡曲線，這種曲線也是一種給定的階躍速度信號。直線電機(jī)往復(fù)運動過程中，要經(jīng)歷“啟動”和“停止”，不同位置下的超調(diào)較大，系統(tǒng)慣性將對PI調(diào)節(jié)器性能造成限制，斜坡位置曲線下，直線電機(jī)系統(tǒng)發(fā)生震蕩的情況較多。因此，在直線電機(jī)系統(tǒng)中，位置曲線通常由上位機(jī)系統(tǒng)給定，獨立變頻器控制系統(tǒng)則首先要在系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)置復(fù)位移曲線。直線電機(jī)位置跟蹤誤差的補(bǔ)償中，可采取速度前饋矯正策略，或者采用負(fù)載阻力、加速度、粘滯摩擦系數(shù)等作出矯正。

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