现代直线电机关键控制技术及其应用研究

江苏省淮阴船闸管理所 王宁波

现代直线电机关键控制技术及其应用研究

江苏省淮阴船闸管理所 王宁波

随着机械技术的逐渐研发，电机控制设备被广泛应用到不同的领域中。直线电机将电能直接转化为直线运动的机械能，一方面省去了中间传动机制，另一方面降低了系统的耗能，能够在直线直驱式系统中应用，决定着直线电机运行效率的是其控制系统。为了便于研究，在本文中对现代直线电机的关键控制技术进行研究，并且分析其在具体设备中的应用。

直线电机；关键控制技术；应用；研究

前言

直线电机自身结构比较简单，其中间的传统连接附件比较少，能够有效的简化了运动系统的结构，将系统的可靠性有效的提升。在现代直线电机运行中，其电机调速系统中常见的三种的控制技术为：v/f控制、适量控制、直接推力控制。基于直线电机关键控制技术的优势，其应用更加的广泛。

1.直线电机结构与工作原理介绍

1.1直线电机的结构

对直线电机的结构进行分析，可以与选择电机结构进行对比性分析，以便于在二者的异同之处了解直线电机。将旋转电机沿着径向剖开，并且平铺，就可以现场直线电机的结构。旋转电机包含定子和转子，而在相对应的直线电机中，定子对应直线电机的初级、转子对应直线电机的次级。在旋转电机中，转子相对于定子进行旋转运动，在直线电机中次级相对于初级进行直线运动。直线电机在实际运行环节中，主要采用的动次级结构或者是动初级结构。根据直线电机的运动特征将其运动部分定义为动子，静止部分称为定子[1]。

1.2直线电机的工作原理

直线电机的工作原理与旋转电机原理相同，直线电机初级、次级相对运动能够产生气隙磁场，但是由于两种电机的结构形式不同，在旋转电机中产生旋转磁场，而在直线电机中产生行波磁场。借助输入电能通过行波磁场转化为电磁推力，从而驱使直线电机的初级与次级产生相对运动。在初次级之间的相互运动中，需要保障有效气隙范围不变，在初级与次级的长度不同的情况下，主要分为长初级短次级、短初级长次级两种结构。初级的制造费用高于次级，因而在直线电机中常采用短初级长次级结构[2]。

2.直线电机关键控制技术方式

2.1v/f控制

V/f控制方式是直线电机控制中的关键控制方式，该种控制方式与其他控制技术相比具有较好的适应性，并且比较容易实现。该种控制形式能够应用于对于负载变化、调速性能等要求不高的控制系统中。常见的系统有风机、水泵等，在这些不同的系统中，应用v/f控制方式，一方面能够满足系统运行的实际要求，另一方面也能够便于系统的实际控制。该种控制方式在额定频率以下进行调速时，能够保持时压频比实现恒定，在额定频率之上，还能够保障电压输出不变，因此该种方式可以被视为是一种恒功率调速控制方式。但是v/f控制方式也存在一些缺点，这些缺点使得该种直线电机控制方式在特殊的环境中不适应。由于该种控制方式比较简单化，导致其实际的控制精度不高。例如，在系统中出现负载突变的情况时，直线电机的速度变化将会更加的明显，并且调整时间逐渐增长。此外，当在该种控制方式下的直流电机处于低速运行时，电机的转矩、推力输出能力变差，如果不存在电压补偿的情况下，将会出现系统欠补偿的情况[3]。

2.2矢量控制

与v/f直线电机控制技术相比，矢量控制的优越性比较突出，该种技术是由德国西门子公司在上世纪七十年代所提出的感应电机矢量控制理论研制出，也被称为磁场定向控制。该种矢量控制技术出现之后，凭借其较为优异的控制性能，被广泛的应用到了感应电机和同步电机调速控制系统中。在不同的电机控制系统中，其应用方式不同。例如，在感应电机矢量控制中，可以分为直接矢量控制和间接矢量控制。基于矢量控制的方式初衷就是以坐标变换为基础，将电机定子电流进行分解，分别分解为两个相互垂直的分量。其中一个是直流电动机的转矩电流分量，另一个时直流电动机的励磁电流分量。在对电流进行分解之后，能够保障不同类型的电流进行分别控制，最终实现了电机转矩与励磁的分开控制。分开控制的形式与传统的统一控制方式相比，有效的提升了直线电机控制效率，并且能够实现微调。特别的，该种控制方式对不同类型电流进行解耦方面发挥着重要的作用[4]。

2.3直接控制

关于直接推力控制的研究比较多，最初该种控制技术是在旋转电机的转矩控制方面中演化而来。经过较长时间的研究，日本学者和德国学者都针对交流感应电机提出了直接转矩控制理论。其中日本学者认为直接转矩控制方式的实现，主要是通过查询电压矢量表，从而实现电动机定子磁链和转矩的相互调节。该种直接控制方式直接转矩中应用比较广泛，也被认为时一种圆形磁链直接转矩控制方式。在此基础上，德国学者提出了直接转矩控制思想，该种思想也被称为直接自控制技术。直接控制技术与矢量控制技术相比，最大的优势在于能够不需要进行矢量分解以及坐标分量的转换就能够实现直线电机的控制。通过在电动机转矩调节中引入零矢量，能够直接在坐标系中进行电机定子坐标系中磁链与转矩的相互转换，更不需要电机数学模型，具体的结构控制上更加的简单。但是该种控制方式也存在着一定的问题，如，转矩与磁链脉动的问题。基于此，很多学者针对该问题进行了比较深入的研究，相继提出了固定载波频率的直接转矩控制方式，和自适应磁链观测器技术[5]。

3.直线电机关键控制技术的应用研究

在本文中以直线电机的往复运动控制技术为例进行分析，针对直线电机往复运动过程，需要分析系统在加速、减速、空载、负载等不同的运行状态下的位置跟踪时误差，并且提出相应的直接电机控制系统位置误差的补偿方式。在直线电机运动环节中，位置曲线设置可以为斜坡曲线，该种曲线实际上也是一种所给定的阶跃速度信号。在直线电机进行往复运动环节中，需要进行启动和停止，在不同的系统下其位置的超调都比较大。该系统存在着一定的惯性，为PI调节器的性能实现带来了一定的限制。在斜坡位置曲线之下，直线电机系统中比较容易产生震荡的情况。为了实现对直线电机系统的控制，系统中的位置曲线一般由上位机系统给定，而对于独立变频器控制系统，需要首先在变频器系统中设置复位移曲线。在对直线电机的位置跟踪误差进行补偿环节中，可以采用速度前馈矫正方式，或者是采用加速度、负载阻力和粘滞摩擦系数进行矫正[6]。

4.结论

综上所述，在本文中对直线电机结构以及运动原理进行分析，并且研究其关键控制技术，以及在实际的电机运行中的应用。直线电机借助输入电能通过行波磁场转化为电磁推力，从而驱使直线电机的初级与次级产生相对运动。直线电机运行具有三种控制技术，分别为v/f控制、适量控制以及直接控制方式。这些控制技术的应用在实际应用中能够有效的提升电机系统的运行效率。

[1]邹积浩.永磁直线同步电机控制策略的研究[D].浙江大学,2005.

[2]李子鑫.基于微机控制的直线电机驱动系统研究[D].浙江大学,2004.

[3]张勇.永磁直线同步电机伺服控制系统研究[D].浙江大学,2014.

[4]尚冬冬.基于电机参数自学习的永磁直线同步电动机伺服控制系统[D].杭州电子科技大学,2014.

[5]李秋林.面向直线电机的数控机床伺服控制系统的研究与设计[D].广东工业大学,2014.

[6]韩明文.永磁同步直线电机神经网络PID控制系统的研究[D].华东理工大学,2013.

王宁波（1975－），男，江苏淮阴人，大学本科，毕业于盐城工学院，中级工程师，研究方向：港航工程机电类。