國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)動(dòng)圈式直線電機(jī)進(jìn)行了研究，但是大部分研究都集中在對(duì)永磁體的結(jié)構(gòu)和材料、電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、結(jié)合高效控制策略的控制電路與芯片設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。而針對(duì)其力功比和從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間延遲的研究還不多，本文就此部分作了深入的探討。

動(dòng)圈式直線電機(jī)可將外界輸入的電壓信號(hào)連續(xù)成比例地轉(zhuǎn)換成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的直線位移，并能夠產(chǎn)生同尺寸結(jié)構(gòu)2.5倍左右的電磁力，且以高線性、小滯環(huán)特性而受到廣泛關(guān)注。但是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的單線圈式線圈組件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，磁性材料內(nèi)部易產(chǎn)生渦流，使線圈產(chǎn)生的電磁力減小。同時(shí)由于線圈組件固有阻抗特性的限制，導(dǎo)致其無(wú)論在響應(yīng)時(shí)間還是在響應(yīng)速度上都存在一定的局限性。開(kāi)發(fā)大輸出電磁力和高響應(yīng)的動(dòng)圈式直線電機(jī)，是電工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

為此，文中提出了一種雙向可逆控制的新型動(dòng)圈式直線電機(jī)，針對(duì)其載流線圈采用新型線圈分割再串、并聯(lián)變換組合方式，通過(guò)改變電阻和時(shí)間常數(shù)提高線圈兩端的加載響應(yīng)時(shí)間，采用PWM脈寬調(diào)制的控制方式對(duì)其線圈電流的大小及方向進(jìn)行控制，不僅可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)換控制的穩(wěn)定無(wú)擾動(dòng)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的大電磁力輸出和高頻響應(yīng)特性。

結(jié)構(gòu)與原理

動(dòng)圈式直線電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1，殼體內(nèi)壁圓周上固連有若干片環(huán)形分布的瓦型永磁體，銜鐵位于環(huán)形分布的永磁體內(nèi)，且與殼體的一端用螺釘固連。載流線圈纏繞在電磁力線圈骨架上，并與輸出軸相連，通過(guò)一導(dǎo)向銷，浮動(dòng)于永磁體與銜鐵之間的氣隙內(nèi)，并通過(guò)密封碗與外界隔開(kāi)。該新型環(huán)狀動(dòng)圈式直線電機(jī)實(shí)物圖如圖2所示。

其控制原理如圖3所示，首先，輸入信號(hào)電壓ui經(jīng)放大器處理后，加載到控制線圈，載流控制線圈連同電磁力線圈骨架在永磁體提供的恒定磁場(chǎng)中，受電磁力Fcd作用而產(chǎn)生位移xc，從而帶動(dòng)軸芯一起運(yùn)動(dòng)。線圈組件由位移傳感器檢測(cè)位置誤差，然后轉(zhuǎn)換成信號(hào)電壓，補(bǔ)償?shù)捷斎胄盘?hào)ur，作為糾偏電壓ue，以保證線圈組件保持在所需要的正確位置。電磁力的大小和方向，取決于線圈中控制電流i的大小和方向。通過(guò)改變輸入電壓信號(hào)的方向，來(lái)改變電磁力Fcd的方向，從而實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)。這樣，系統(tǒng)由閉環(huán)控制，也提高了其控制精度和響應(yīng)速度。

電磁力Fcd總是正比于電樞電流i，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E總是正比于動(dòng)子速度vc，比例系數(shù)分別稱之為電磁力常數(shù)和反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，兩者的取值略有差異。電樞反應(yīng)的影響，但大體相同，近似為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度Bg與有效繞組長(zhǎng)度la的乘積。另外其在行程范圍內(nèi)無(wú)需換向，線圈電感在行程范圍內(nèi)基本不變，因此該動(dòng)圈式直線電機(jī)具有良好的可控性。

組合線圈設(shè)計(jì)

線圈是動(dòng)圈式直線電機(jī)的關(guān)鍵元件，其主要作用是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，廣泛應(yīng)用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制等領(lǐng)域。目前常用的線圈繞線方式為單線圈組合方式，其響應(yīng)速度及電磁力有限，轉(zhuǎn)換效率低，難以滿足現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和高效快速的要求。文中將原線圈平均分為多段，將其并聯(lián)使用。不僅大大減少了線圈的重量和能耗，降低了材能的損耗，而且能滿足大電磁力和高頻響應(yīng)性的要求。

相同電壓下，單組動(dòng)圈線圈串聯(lián)組件電路可以減少響應(yīng)時(shí)間，提高響應(yīng)速度，但難以實(shí)現(xiàn)裝置的大電磁力輸出。只有保持電路中線圈組在磁場(chǎng)中作用線圈的長(zhǎng)度才能保證裝置的大電磁力輸出，可以通過(guò)并聯(lián)線圈組的方式來(lái)增加電路中通電線圈的長(zhǎng)度來(lái)增大電磁力，相對(duì)于單組線圈的反電動(dòng)勢(shì)不增加。采用動(dòng)圈式線圈均勻分割并聯(lián)可以減少裝置的電阻、電感，減少電阻、放大電流，大大地提高了裝置的電磁力輸出；但由于其電感相對(duì)太小，對(duì)動(dòng)圈式直線電機(jī)的響應(yīng)影響不大。

如果通過(guò)電流過(guò)大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與氣隙磁場(chǎng)相互作用，造成磁場(chǎng)的非線性限制；長(zhǎng)時(shí)間通以大電流，工作溫升快導(dǎo)致發(fā)熱損壞，電機(jī)工作時(shí)間和壽命受到一定限制；線圈電感的存在導(dǎo)致工作電流總是簡(jiǎn)便達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

圖4為三組線圈電路圖示意圖，假設(shè)如下：

(1)A組電路如圖4(A)中，開(kāi)關(guān)S1閉合，電感為L(zhǎng)S1、電阻RS1。稱為：串聯(lián)的A組線圈；

(2)B組電路如圖4(B)中，開(kāi)關(guān)S1、S3閉合，電感為L(zhǎng)S2、電阻RS2。稱為：?jiǎn)谓M的B組線圈；

(3)C組電路如圖4(C)中，開(kāi)關(guān)S1、S2、S3閉合，電感為L(zhǎng)S3、電阻RS3。稱為：并聯(lián)的C組線圈；

式中：電感量表示線圈本身固有特性，與電流大小無(wú)關(guān)，其表達(dá)式如下：

由于輸入電壓一定時(shí)，線圈的電阻、電感影響整個(gè)電路的時(shí)間常數(shù)和電流大小。在單線圈輸入電流I不變的情況下，電磁鐵的響應(yīng)時(shí)間t：

通過(guò)分析動(dòng)圈尺寸和線圈阻抗之間的關(guān)系，可知線圈電感與電機(jī)線圈(繞線部分)長(zhǎng)度、直徑及線圈匝數(shù)的平方成正比，為了達(dá)到高響應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)必須降低線圈電感。采用圖5所示DT-9935型LCR數(shù)字測(cè)量?jī)x測(cè)得線圈組的電感L、電阻R如表1。

文中動(dòng)圈式直線電機(jī)的獨(dú)特之處是即通過(guò)對(duì)線圈的分割從而是工作線圈的工作時(shí)間和響應(yīng)速度增加，再運(yùn)用PWM控制方式組合線圈并聯(lián)提高工作線圈的電磁力。針對(duì)載流線圈采用新型線圈分割再串、并聯(lián)變換組合方式，采用PWM脈寬調(diào)制的控制對(duì)其線圈電流的大小及方向進(jìn)行控制。

PWM控制回路中，線圈的循環(huán)工作主要是利用D觸發(fā)器輸入循環(huán)工作信號(hào)來(lái)控制線圈的運(yùn)行，電流的大小主要采用脈寬調(diào)制的方式進(jìn)行控制，即通過(guò)控制信號(hào)的占空比來(lái)達(dá)到控制電流大小的目的，進(jìn)而改變改變電磁力的大小。同時(shí)，控制信號(hào)與控制脈沖振蕩信號(hào)通過(guò)門電路對(duì)對(duì)應(yīng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管交替導(dǎo)通和截止，控制三極管輸出腳向外輸出相位差180°的脈寬調(diào)制脈沖，滿足整個(gè)裝置對(duì)頻率的需求，如圖6所示。

本文中為保持電機(jī)尺寸參數(shù)一定，能夠通過(guò)分割長(zhǎng)線圈改變?yōu)槎叹€圈組，以改變線圈的匝數(shù)調(diào)整線圈電感值和電氣時(shí)間常數(shù)。

建模與仿真

在工作氣隙內(nèi)，根據(jù)文獻(xiàn)載流控制線圈(動(dòng)圈)在均勻磁場(chǎng)中的受力公式，可得電機(jī)的可動(dòng)線圈組件空載力特性，如下：

式中，Ki－動(dòng)圈式電－機(jī)轉(zhuǎn)換器的電流－力增益(N/A)；i－線圈電流(A)；Bg－氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)；la－線圈有效繞組長(zhǎng)度(m)。

線圈端電壓動(dòng)態(tài)方程為：（4）

式中，u-線圈端電壓(V)；Ku-放大器增益；ui-信號(hào)電壓(V)；Rc-線圈電阻(Ω)；rp-放大器內(nèi)阻(Ω)；L-線圈電感(H)；Ke-線圈速度感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；E—感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V)；vc—動(dòng)子速度(m/s)；xc-線圈組件位移(m)。

在線圈組電路兩端穩(wěn)定輸入，線圈組件動(dòng)態(tài)方程為：

式中，Mc－線圈組件的質(zhì)量(kg)；Bc－線圈組件的粘性阻尼系數(shù)(N·s/m)；Kc－線圈組件彈性阻尼系數(shù)(N/m)。

綜合公式(3)、(4)及(5)得到輸入電壓ur與位移xc的

三階傳遞函數(shù)：

對(duì)上述的電機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程組進(jìn)行拉普拉斯變換，可以給出以信號(hào)電壓ur為輸入量，以線圈組組件速度vc為輸出量的動(dòng)圈式直線電機(jī)傳遞函數(shù)方框圖，如圖7。

位移階躍響應(yīng)分析

對(duì)圖7所示傳遞函數(shù)框圖，可得電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，如下:

對(duì)上式(7)，采用表2所示的參數(shù)，通過(guò)MATLAB仿真分析后，得到電機(jī)位移動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)曲線，如圖8所示。

從圖8可以看出，對(duì)于單位階躍信號(hào)輸入，A組線

真分析后，得到電機(jī)位移動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)曲線，如圖8所示。

從圖8可以看出，對(duì)于單位階躍信號(hào)輸入，A組線圈和B組線圈的位移幅值變化比較小，最終幅值穩(wěn)定為0.8mm，其上升時(shí)間tr分別為26.6ms、14.6ms；并聯(lián)的C組線圈的幅值變化比較大，最終幅值穩(wěn)定為7.5mm，其上升時(shí)間tr為0.112s；在單位信號(hào)控制下，C組線圈的位移Xc=1mm時(shí)，tXc=9.94ms。由此可見(jiàn)，在單位信號(hào)控制下，可以采用并聯(lián)線圈的方式使得改善其位移特性，其響應(yīng)時(shí)間可減少到9.94ms。

結(jié)論

在相同電壓工況下，與動(dòng)圈組件串聯(lián)相比，單組動(dòng)圈線圈組件電路電阻小，電感小，可以減少響應(yīng)時(shí)間，提高響應(yīng)速度，但難以實(shí)現(xiàn)裝置的大電磁力輸出。只有保持電路中線圈組在磁場(chǎng)中作用線圈的長(zhǎng)度才能保證裝置的大電磁力，通過(guò)并聯(lián)線圈組的方式來(lái)增加電路中通電線圈的長(zhǎng)度來(lái)增大電磁力，相對(duì)于單組線圈的反電動(dòng)勢(shì)不增加。本文驗(yàn)證了均勻分割的線圈組件通過(guò)并聯(lián)設(shè)計(jì)，其位移的階躍響應(yīng)達(dá)到1mm左右的時(shí)間由大于14.6ms減小到9.94ms以內(nèi)，響應(yīng)速度增加了1倍以上；其電磁力由原來(lái)的10.8N增加到93.2N，加速度也擴(kuò)大了8倍。結(jié)合PWM控制方式可實(shí)現(xiàn)更高頻響應(yīng)的控制，電磁力達(dá)到最值的響應(yīng)時(shí)間減少到0.688ms，大大地提高了整個(gè)裝置的高頻響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)了輸出位移響應(yīng)時(shí)間短、電磁力大等特點(diǎn)。該動(dòng)圈式直線電機(jī)可廣泛應(yīng)用于電機(jī)直驅(qū)型數(shù)控一代產(chǎn)品等各類需要高響應(yīng)速度的自動(dòng)控制系統(tǒng)，前景良好。

文/廣州中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所、廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院羅良維 張弓 梁濟(jì)民 王衛(wèi)軍徐征 顧星 郭云鵬 梁松松