現(xiàn)代直線電機關(guān)鍵控制技術(shù)及其應用研究

王奕飛

摘 要：直線電機是一種新型電機，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)中被廣泛地應用，并且發(fā)揮著重要的作用。本文闡述了直線電機基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并介紹了三種控制技術(shù)，并以直線電機的往復運動控制為例，介紹了現(xiàn)代直線電機的應用。旨在加深相關(guān)人員對現(xiàn)代直線電機控制技術(shù)的認識，為其應用和發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：直線電機;結(jié)構(gòu);原理;控制技術(shù);應用

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

1 直線電機結(jié)構(gòu)特點和工作原理

1.1 直線電機結(jié)構(gòu)特點

直線電機通?？梢员豢醋魇怯尚D(zhuǎn)電機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、交流直線電動機，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)電機相比，其次級相對于初級進行直線運動，因此運行的效率也比旋轉(zhuǎn)電機更優(yōu)。直線電機的實際運用中，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的不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行更好的區(qū)分，因此將電機的靜止部分、運動部分分別定義為定子、動子。另外，直線電機的加速度大，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

直線電機的動作原理和旋轉(zhuǎn)電機一致，都是利用氣隙磁場作用運行，但直線電機中以行波磁場為主，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)變時電機初級運動和次級運動也同時進行。直線電機的運動，需要控制相應的參數(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。直線電機目前已經(jīng)被廣泛地應用到了各個領(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

直線電機的基本原理和旋轉(zhuǎn)電機一致，因此在直線電機控制策略中主要有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性，并提高其動態(tài)控制效果，特別是對負載突變進行處理時，v/f控制技術(shù)應用后速度變化問題明顯，并且需要花費較長的時間進行運行狀態(tài)的調(diào)整，一旦直線電機處于低速運行狀態(tài)，則該控制技術(shù)應用中就可能出現(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70年代由德國學者提出，該理論提出時就是將交流電機模擬為直流電機，目的是讓電機獲得與直流電機一樣高性能調(diào)速控制的結(jié)果。矢量控制技術(shù)的原理是基于坐標轉(zhuǎn)換，將電機定子電流轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪钡膬蓚€分量，兩個分量分別與直流動機轉(zhuǎn)矩電流分量、直流電機勵磁分量相同。由此可見，操作人員進行矢量控制中實際是對兩個電流分量進行的控制。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)廣泛地應用在了感應電機與同步電機調(diào)速控制系統(tǒng)當中，但是不同系統(tǒng)中其運行方式存在差異，如感應電機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)電機的轉(zhuǎn)矩控制演變而來的，經(jīng)過長時間的研究和應用，德國、日本學者對交流感應電機提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，日本學者提出，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用。德國學者則在此基礎上提出直接轉(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、坐標分量轉(zhuǎn)變便可進行直線電機控制。電動機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)無需引入矢量，可直接在坐標系中對電機磁鏈與轉(zhuǎn)矩進行相互之間的轉(zhuǎn)換，不需要通過電機數(shù)學模型。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)學者作出了大量的研究，進而提出了新的直接轉(zhuǎn)矩控制方式（固定載波頻率），以及自適應磁鏈觀測器技術(shù)。

3 直線電機關(guān)鍵技術(shù)應用分析——以直線電機的往復運動控制技術(shù)應用為例

在現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展下，直線電機控制系統(tǒng)的發(fā)展和應用讓操作人員的控制能力得到了進一步的提升。筆者以直線電機的往復運動控制技術(shù)應用為例，討論如下。

直線電機往復運動需要分析系統(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)、負載運行狀態(tài)等，同時提出與之對應的，對直線電機控制系統(tǒng)位置誤差進行補償?shù)姆绞健Ｖ本€電機的運行中，位置曲線的設置可采用斜坡曲線，這種曲線也是一種給定的階躍速度信號。直線電機往復運動過程中，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，直線電機系統(tǒng)發(fā)生震蕩的情況較多。因此，在直線電機系統(tǒng)中，位置曲線通常由上位機系統(tǒng)給定，獨立變頻器控制系統(tǒng)則首先要在系統(tǒng)當中設置復位移曲線。直線電機位置跟蹤誤差的補償中，可采取速度前饋矯正策略，或者采用負載阻力、加速度、粘滯摩擦系數(shù)等作出矯正。

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