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直流直线电机及其控制　瞒ｎ　叶　摘要介绍了短行程往复运动的永磁直流直线电机的基本结构和行程方程　以及三种典　

僦　述　永磁直流直线电机是一种有一定应用前　景的直线电机。它的控制简单方便．可以适应　各种运动方式的要求。特别是当电枢绕组做　成空心线圈时，由于惯量小，容易实现这些运　动方式。它使用永磁材料产生磁场，因此电机　的损耗和发热较小。当采用高性能永磁材料　时，电机的体积和重量都可以做得很小。　永磁直流直线电机的基本原理类似于扬　声器的音圈．所以有时也叫音圈电机。但是，　它可以有各种各样的结构．它的推力也可以　做得很大。它的结构基本上分两大类。一类是　长行程的带换向器的结构．另一类是短行程　的不带换向器的结构。前一类结构使用较少．　常用的是短行程的不带换向器的结构。　永磁直流直线电机的应用可以是多种多　样的。本文将介绍三种较典型的应用方式．即　定距移动、压缩弹性体以及位移有函数要求　的移动。在此基础上，将分析方法稍加修改．　就能用于其它各种应用方式。　永磁直流直线电机的控制是整个系统中　的重要环节。本文也将介绍一些实用的驱动　控制电路。　二、永磁直流直线电机的　结构　

＊收稿日期：１９９２－－０６　０５　（＝ｋ，ｌ，ｍ￣１．）１９９３．２０（３）　永磁直流直线电机一般采用圆筒型结　构。对于短行程往复运动的场合，它可以不带　换向器，只要使电枢稍长于定子．保证在行程　范围内定子与电枢始终耦合即可。电机沿轴　向可以做成单极、二极或多极的结构。　当电机往复运动频率较低时，允许电枢　有较大的质量．它可以做成铁心绕组，即将绕　组安放于铁心槽内。图１表示一种二极结构。　

图１铁　Ｌ－绕组永磁直流直线电机　‘　ｉ．非磁性机座２．定子铁心环３．束畦搏环　４－非磁性端盖５－电抠绕组．唱－’电枢蛀心　图１中虚线表示磁路，电抠绕组曲左半　部分与右半部分电流方向相反。周向电枢电　流在径向气隙磁场作用下产生轴向电磁力，　推动负载实现直线运动。极问的距离不能小　于行程，否则带反向电流的电枢绕组部分会　进入极下产生反向推力。　当电机往复运动频率较高时，为了减小　电枢质量和避免在电枢铁心中感应涡流，电　枢绕组可做成空心线圈，同时将电枢铁心改　成不动的内定子铁心。一种　极结构如图２　所示。　图中的永磁体圆环放在外定子上，这种　结构称为外磁式。永磁体也可以做成圆柱．放　在内定子上，称为内磁　，如图３所录。－这耐　

３‘　维普资讯 http://www.cqvip.com 机座可兼作外定子铁心用。　一　

一Ｉ　５　３　４　２　

图３空心绕组内磁式永磁直流直线电机　１．铁机座２．非磁性端盖３．电枢　巍组４．内定子辕心柱５．永磁悻柱　采用空心绕组结构时．在电枢＿支架上沿　周向均匀安装３根或４根圆杆，并使之穿过　端盖，以引出电枢绕组产生的推力。　对于悃篙型永磁直流直线电机，电枢铁　心或　是子铁心轭部的圆柱截面往往是整个　磁路中最小的磁璐截面．此处的磁场最容易　饱和。当此处的磁密为～定时．气隙磁密的提　高受到定景镑心长度的限制。在合理的设计　中，定子嚏％心长度与电枢铁心或内定子铁心　轭部直径之比基本上为常数。因此，当电机的　安装空茼为细长形时．应当将电机设计成沿　轴阿多饭韵绍构　’ｔ－辛．ｆ　三、永磁直流直线电机的　支配方程　．　永磁直流直线电机通常运行在动态下，　它受如下身程支配：　电路方　“＝ｅ＋Ｒｉ＋Ｌ囊　电磁感应］瞧　ｅ一剧　电磁力方程　＝Ｂ“　力平衡方程　ｆ　＝ｆ＋ｍ　式中ｎ——母｝施电压，　．４．　（１）　（２）　（３）　（４）　ｅ——感应电动势，ｖ　电枢电流，Ａ　Ｒ——电枢电阻，Ｑ　Ｌ——电枢电感，Ｈ　Ｂ——气隙磁密．Ｔ　电枢绕组有效长度。ｍ　运动速度，ｍ／ｓ　ｆ　——电磁力·Ｔ·Ａ·　ｆ——负载阻力．Ｎ　ｍ——电枢及负载质量．ｋ　由于永磁体呈高磁阻，因此电枢电流基　本上只产生交轴电枢反应磁场和漏磁场，电　枢电感Ｌ可通过磁场分析求得。在不同的电　枢位置下，Ｌ变化很小，可看成是常数。气隙　磁密口由磁路计算求得，也可看成常数。　永磁直流直线电机的运行分析由求解式　（１）～（４）得到。根据电源和负载情况的不同，　运行分析也不相同。电源可分成电压源和电　流源两种。使用电压源时，电压源的内阻可并　Ａ电枢电阻之中，而将外施电压看成恒压源。　使用电流源时，如果电流源内电导可以忽略　则可看成恒流源。严格地说，由于电路是电感　性的，电流不能突变，因此不能突加一个恒流　源。但如果使电流变化很快，以至于在整个动　态运行过程中电流变化的时间可以忽略，则　可视为恒流源，这时永磁直流直线电机的运　行只受式（３）和（４）支配，运行分析得到简化。　负载阻力根据实际使用情况通常有两种　类型。一种是恒定阻力．例如摩擦力。另一种　是恒定阻力与和位移成正比的阻力的组合，　例如摩擦力与弹簧压力的组合。　下面针对三种典型的应用方式进行永磁　直流直线电机的运行分析。　四、永磁直流直线电机用　于定距移动　电机从静止状态突加正向电压后加速运　行，过一段时间后，电机再突加反向电压或突　然短路减速运行，一直减速到静止为止。通过　控制电压大小和通电时间达到定距移动。　《中小型电机￣１９９３，２０（３）

　维普资讯 http://www.cqvip.com 在这种应用场合，负载阻力，一般仅为　摩擦力，在运动中，为常数。将式（２）、（３）、　（４）代入式（１），考虑到ｄｆ／ｄ　一０，得到永磁直　流直线电机的运动方程如下　Ｌ￣ｎ　ｄ　￣ｖＢｔ　ｄｔ＋　Ｂ　ｄｔ＋肌，一　一等Ｂ（５）　２。￡　…　…　这是一个以速度　为未知量的二阶常系　数线性微分方程。设电机加速时电压为“　，加　速时间为ｔ　；减速时电压为　，减速时间为　￡　。在￡一Ｏ一￡。的加速时间间隔内，利用初速　度为零和初加速度为零的初始条件，可求出　式（５）的解。式（５）的特征根为　［一　＋　一４ＬＢ　ｆ　／ｍ）“　］／Ｚ／Ｌ　（６）　如一［一　一　一４ＬＢ　ｆ　／ｍ）”　￣ＩＺ／Ｌ　（７）　根据　和如为两个相等的实数、两个不等的　实数和两个不等的复数三种情况，式（５）的解　分别为　—　【［１一（１一　）ｅ　（８）　（１＋　一　曲【）（９）　一　Ｅ［１一（ｃｏｓｆｌｔ一｛ｓ＿ｎ　）ｅ　］　（１０）　式中　一（　一　，／Ｂ／１）／Ｓ几　（１１）　ｄ一一月／２／Ｌ　（１２）　口一（月　一４ＬＢ　￡　／ｍ）　／２／Ｌ／ｊ（１３）　在￡一Ｏ～￡。时间间隔内，电机移动的距　离为　末速度　末加速度　上　ｄ　Ｉ一　（￡１）　ｄｖ（　Ｉ）　一百　（１　４）　（１５）　（１６）　将　一￡　的时刻重新设为　０。在ｚ一０～　￡　的减速时间间隔内，利用初速度为　和初　加速度为。　的初始条件．可求出式（５）的三　种解如下　一口　２＋　１一　２）　×（１＋—生一　）ｅ　（１　７）　ｃ　＋　《中小型电机》ｌ９９３，２０（３）　ｅ　１）　２（＾一　）　一　２＋［　】一　２）ｃｏｓＢｔ　＋　尘　（１８）　

ｉｎｆｌｔ］ｅ　（１９）　式中　一（ｕ　一Ｒｆ／Ｂ／Ｉ）／Ｂ／ｌ　（２０）　过零的时刻即为仁＝屯。在　一Ｏ～　的　时间间隔内，电机移动的距离为　Ｉ　ｄ　（２１）　电机移动的总距离为　ｓ一　＋　（２２）　化费的总时间为　Ｔ一　１＋￡２　（２３）　五、永磁直流直线电机用　于压缩弹性体　当电机用于压缩弹性体时，负载阻力为　摩擦力与弹性体压力的组合。设摩擦力为，，　弹性体压力为　ｓ，则在压缩弹牲体和释放弹　性体时，式（４）可分别改写为　，　１，＋　·ｍ　（２４）　和　，　一一，＋砷＋ｍ　（２５）　电源可采用恒流源　设压缩弹性体时电　流为　这时由式（３）和（２４）得到以ｓ为变量　的压缩弹性体时的电机运动方程如下、　ｍ雾＋　，　设电机的初位移和初速度都为零，ｌ则式　（２６）的解为　一　１（１一ｃｏｓ￣）　（２７）　式中　一（Ｂ　－－ｆ）肛　（２８）　０＝（　／ｍ）　（２９）　当　＝　ｔ一　／　时，电机末速度为零．电机　的行程为２％　。电机行程的大小可通过调节　电流加以控制，而电机到达行程所需时间取　决于比值　／ｍ。　设释放弹性体时电流为　这时由式（３）　和（２５）得到的释放弹性体时的电机运动方程　

·５’　维普资讯 http://www.cqvip.com 如下　ｄ　２ｓ＋　ｓ—Ｂｉｚ　＋，　（３０）　这时电机的初位移为２　，初速度为零，　式（３０）的解为　￥一　２＋（２　ｌ一　２）ｃｏｓｏｇ　（３１）　式中　２一（Ｂｌ　＋，）　（３２）　如调节。　的大小，使满足　一　，即　２一｛　一２ｆ／Ｂ／ｔ　（３３）　则式（３１）简化成　￥一‰【（１＋ｃｏｓ￣ｏｔ）　（３４）　经过时间　一　。＝“　后．末位移和末速　度都为零，电机回复到压缩弹性体运动前的　状态。　六、永磁直流直线电机用　于位穆有函数要求的　移动　电机仍用于压缩弹性体，同时要求位移　与时问满足某种函数关系。这一函数当然应　该是连续的，而且各点的斜率变化不能太大，　否则在控制上达不到要求。　在压缩和释放弹性体时，运动方程仍分　别如式（２６）和（３０）所示，但电流ｔ不再是两　个常数，而痘是时间的函数。当位移函数为任　意时，电流函敷可用差分法求得。　设位移与时间的函数如图４所示。将周　期离散成　个足够小的时闻间隔△　。当电机　运行到　．一。Ａ　时，电流值　可按由式（２６）或　（３０）导出韵如下关系求得　（ｍ　鲁　＋　ｆ）／Ｂ／ｌ－ｉ－／　。·一Ｌ　——　—一十懈　（３５）　或　（ｍ坠　±　＋　—ｆ）／Ｂ／ｔ　（３６）　式（３５）用于当＆＋　＞　＞　一　时，这时电机　在压缩弹性体，而式（３６）用于当　＋．＜　＜＆　时，这时电机在释放弹性体。特别地，当　＋　≤　６·　≥　．或　一　≥　≤　一　时电机经过最大或最　小位移点，在这一时刻不运动，摩擦力为零，ｉ．　由下式求得　（　苎二　±　Ｌ二　＋ｋｓ）／Ｂ／ｌ／Ｂ　一Ｌ　———　—一十　（３７）　Ｓ　Ｓ　

ｆ／　图４位移与时问的函数　整个电流对时间的函数可按图５计算。　

图５　七、永磁直流直线电机的　驱动控制电路　永磁直流直线电机根据不同的应用场合　有不同的控制驱动电路。根据只需要单向通　电或需要双向通电，控制驱动电路相应地做　成单向电源或双向电源。图６ａ为一种单向电　源的输出级，由ＧＴＲ和续流二极管构成。图　６ｂ为一种双向电源的输出级，由ＧＴＲ和逆　导二极管构成半桥电路形式。图６ｃ为另一种　双向电源的输出级．由ＧＴＲ和逆导二极管构　成全桥电路形式。　永磁直流直线电机的电源分电压源型和　电流源型。前者具有很小的内电阻，而后者具　有很小的内电导。电压源型电源接通电机后，　由于电路的总电阻小，电气时间常数大．电流　上升速度较慢，电机起动过程也较长。但在行　《中小型电机￣｝１９９８，２０（３）

　维普资讯 http://www.cqvip.com 程较长时，对于恒定阻力，可以有一个稳速　段。电流源型电源接通电机后，由于小的内电　导相当于大的内电阻，电路的总电阻大．电气　时间常数小．电流上升速度较快，电机起动过　程也较短，但一般没有稳速段。　

图６控制驱动电路的输出级　（８）单向电源（ｂ）取向半桥电源　（ｃ）双向全桥电源　永磁直流直线电机的控制方式有连续控　制和开关控制两种。单向电源连续控制方式　类似于受控串联电路，双向电源连续控制方　式类似于线性功放电路，单向电源开关控制　方式为直流斩波电路，双向电源开关控制方　式为ＰＷＭ脉宽调制电路。两种控制方式与　两种电源类型结合构成四种基本电路型式，　如图７所示　连续控制方式的电路稍简单些．电路中　运放Ａ作减法器及误差放大器用。连续控制　方式对输出圾ＧＴＲ频率要求低，输出电压和　电流的纹波小。但输出级ＧＴＲ功耗大，系统　效率低。因此连续控制方式常用于小功率驱　动。开关控制方式的电路相对复杂些，电路中　电压比较器Ｂ接成施密特电路形式，作误差　比较和产生ＰＷＭ脉冲信号用。开关控制方　式的输出电压为调制载波，输出电流受电抗　滤波后还有纹波存在，但对运行通常没有什　么影响。高频调制会引起输出级ＧＴＲ的开关　损耗，但较连续控制方式的功耗要小得多，系　统效率高。开关控制方式常用于大功率驱动。　图７中的给定按应用场合的需要设计。　例如，在定距移动时，需要一个定时正向脉冲　信号和一个定时反向脉冲信号。这可以由图　《中小型电机￣１９９３．２０（３）　８所示的定时与幅值可调的双脉冲单稳态电　

培定　

图７基本电路型式　（丑）连续控｛５Ｉ方式电压源（ｂ）连续拄制方式电流担　（ｃ）开关控制方式电压霭【（ｄ）开关拄制方式电流担　当位移有函数要求时，给定是另一个相　关的函数，它可由单片机程序产生。这时需要　加一个Ｄ／Ａ转换卡　

图８定时与幅值可调的双脉冲单穗态电路　对于电机参数和负载参数基本不变的应　用场合，上述的开环控制已能满足要求。当有　·７

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