國內(nèi)外很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都對動圈式直線電機(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。而針對其力功比和從啟動到穩(wěn)態(tài)的時間延遲的研究還不多，本文就此部分作了深入的探討。

    動圈式直線電機(jī)可將外界輸入的電壓信號連續(xù)成比例地轉(zhuǎn)換成往復(fù)直線運(yùn)動的直線位移，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)動過程中，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。同時由于線圈組件固有阻抗特性的限制，導(dǎo)致其無論在響應(yīng)時間還是在響應(yīng)速度上都存在一定的局限性。開發(fā)大輸出電磁力和高響應(yīng)的動圈式直線電機(jī)，是電工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

    為此，文中提出了一種雙向可逆控制的新型動圈式直線電機(jī)，針對其載流線圈采用新型線圈分割再串、并聯(lián)變換組合方式，通過改變電阻和時間常數(shù)提高線圈兩端的加載響應(yīng)時間，采用PWM脈寬調(diào)制的控制方式對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)定無擾動，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，通過一導(dǎo)向銷，浮動于永磁體與銜鐵之間的氣隙內(nèi)，并通過密封碗與外界隔開。該新型環(huán)狀動圈式直線電機(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中，受電磁力Fcd作用而產(chǎn)生位移xc，從而帶動軸芯一起運(yùn)動。線圈組件由位移傳感器檢測位置誤差，然后轉(zhuǎn)換成信號電壓，補(bǔ)償?shù)捷斎胄盘杣r，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。通過改變輸入電壓信號的方向，來改變電磁力Fcd的方向，從而實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動。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)電動勢E總是正比于動子速度vc，比例系數(shù)分別稱之為電磁力常數(shù)和反電動勢常數(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與有效繞組長度la的乘積。另外其在行程范圍內(nèi)無需換向，線圈電感在行程范圍內(nèi)基本不變，因此該動圈式直線電機(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，單組動圈線圈串聯(lián)組件電路可以減少響應(yīng)時間，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中作用線圈的長度才能保證裝置的大電磁力輸出，可以通過并聯(lián)線圈組的方式來增加電路中通電線圈的長度來增大電磁力，相對于單組線圈的反電動勢不增加。采用動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；但由于其電感相對太小，對動圈式直線電機(jī)的響應(yīng)影響不大。

    如果通過電流過大，產(chǎn)生的磁場與氣隙磁場相互作用，造成磁場的非線性限制；長時間通以大電流，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，開關(guān)S1閉合，電感為LS1、電阻RS1。稱為：串聯(lián)的A組線圈；

    (2)B組電路如圖4(B)中，開關(guān)S1、S3閉合，電感為LS2、電阻RS2。稱為：單組的B組線圈；

    (3)C組電路如圖4(C)中，開關(guān)S1、S2、S3閉合，電感為LS3、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，與電流大小無關(guān)，其表達(dá)式如下：

    由于輸入電壓一定時，線圈的電阻、電感影響整個電路的時間常數(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)時間t：

    通過分析動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)時必須降低線圈電感。采用圖5所示DT-9935型LCR數(shù)字測量儀測得線圈組的電感L、電阻R如表1。

    文中動圈式直線電機(jī)的獨(dú)特之處是即通過對線圈的分割從而是工作線圈的工作時間和響應(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)工作信號來控制線圈的運(yùn)行，電流的大小主要采用脈寬調(diào)制的方式進(jìn)行控制，即通過控制信號的占空比來達(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，控制信號與控制脈沖振蕩信號通過門電路對對應(yīng)兩個驅(qū)動三極管交替導(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，滿足整個裝置對頻率的需求，如圖6所示。

    本文中為保持電機(jī)尺寸參數(shù)一定，能夠通過分割長線圈改變?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(動圈)在均勻磁場中的受力公式，可得電機(jī)的可動線圈組件空載力特性，如下：

    式中，Ki－動圈式電－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－線圈有效繞組長度(m)。

    線圈端電壓動態(tài)方程為：（4）

    式中，u-線圈端電壓(V)；Ku-放大器增益；ui-信號電壓(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)反電動勢常數(shù)；E—感應(yīng)電動勢(V)；vc—動子速度(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)：

    對上述的電機(jī)的動力學(xué)方程組進(jìn)行拉普拉斯變換，可以給出以信號電壓ur為輸入量，以線圈組組件速度vc為輸出量的動圈式直線電機(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:

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

   從圖8可以看出，對于單位階躍信號輸入，A組線

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

   從圖8可以看出，對于單位階躍信號輸入，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，其上升時間tr為0.112s；在單位信號控制下，C組線圈的位移Xc=1mm時，tXc=9.94ms。由此可見，在單位信號控制下，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)時間可減少到9.94ms。

結(jié)論

   在相同電壓工況下，與動圈組件串聯(lián)相比，單組動圈線圈組件電路電阻小，電感小，可以減少響應(yīng)時間，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中作用線圈的長度才能保證裝置的大電磁力，通過并聯(lián)線圈組的方式來增加電路中通電線圈的長度來增大電磁力，相對于單組線圈的反電動勢不增加。本文驗(yàn)證了均勻分割的線圈組件通過并聯(lián)設(shè)計(jì)，其位移的階躍響應(yīng)達(dá)到1mm左右的時間由大于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)時間減少到0.688ms，大大地提高了整個裝置的高頻響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)了輸出位移響應(yīng)時間短、電磁力大等特點(diǎn)。該動圈式直線電機(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)速度的自動控制系統(tǒng)，前景良好。

    文/廣州中國科學(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