一种高响应直线电机及控制方法.pdf

本发明提供一种高响应直线电机及控制方法，包括左端盖、中端盖及右端盖，右端盖内设有若干片环形分布的瓦型永磁体，铁芯与瓦型永磁体间安装有载流线圈，载流线圈缠绕在绕线筒上，绕线筒与输出轴相连。在输入信号加载到载流线圈后，载流线圈在恒定磁场中受到电磁力作用，从而带动输出轴产生往复直线运动。本发明采用各自独立的三组绕组线圈或者五组绕组线圈，每个绕组线圈分别与一路控制电路连接，对各绕组线圈按控制要求给定电流进行励磁，直线电机启动时，每个绕组线圈通入同向电流，且根据绕组位置，其电流大小可各异，这样载流线圈的总安匝数将叠加，使得启动时峰值电磁力大大增加，产生较大的推力；停止时，控制部分绕组线圈通入反向大电流，以增加瞬时反向加速度，实现直线电机的快速和精确回位或定位，提升了直线电机的响应速度。

权利要求书1.  一种高响应直线电机，其特征在于，包括左端盖、与左端盖连接的右端 盖、设于左端盖与右端盖间且与左端盖连接的中端盖； 所述右端盖内设有若干片呈环形分布的瓦型永磁体，每片瓦型永磁体内设 有铁芯，所述铁芯连接右端盖，铁芯与瓦型永磁体间设有载流线圈，载流线圈 缠绕在绕线筒上，所述绕线筒的中心设有一端伸出左端盖的输出轴； 所述载流线圈为各自独立的三组绕组线圈或五组绕组线圈，每个绕组线圈 分别与一路控制电路连接； 所述控制电路包括电信号电路和触发信号电路； 所述电信号电路用于比较输入给定电流信号与电流传感器反馈信号，并形 成控制信号，此信号再经极性鉴别形成励磁信号、消磁信号两种电流信号； 所述触发信号电路用于根据输入的脉冲振荡信号形成四种不同相位波形触 发信号，并利用这四路触发信号通过门电路来产生控制分割绕组线圈循环工作 的控制信号。 2.  根据权利要求1所述的高响应直线电机，其特征在于，所述右端盖上方 安装有接线插座。 3.  根据权利要求1所述的高响应直线电机，其特征在于，所述绕线筒通过 定位销、垫片和螺母固定于输出轴，并经由一导向销支撑于铁芯与瓦型永磁体 间。 4.  根据权利要求1所述的高响应直线电机，其特征在于，所述中端盖材料 采用白铜。 5.  根据权利要求1所述的高响应直线电机，其特征在于，所述电信号电路 包括放大器和极性鉴别电路。 6.  根据权利要求5所述的高响应直线电机，其特征在于，所述放大器用于 对初始电流的幅值进行调动，放大器的输出电流含有一定频率和幅值的颤振电 流，并对阶跃信号自动产生速率可调的斜坡信号。 7.  根据权利要求1所述的高响应直线电机，其特征在于，所述触发信号电 路包括D触发器和PWM控制电路。 8.  一种权利要求1至7任一所述的高响应直线电机的控制方法，其特征在 于，包括： 当启动电机时，控制电路对绕组线圈按控制要求给定电流进行励磁，每个 绕组线圈通入同向电流，且根据绕组位置，其电流大小可各异，这样载流线圈 的总安匝数将叠加，启动时峰值电磁力大大增加，可产生较大的推力； 当关闭电机时，部分控制电路控制绕组线圈以通入反向大电流，以增加瞬 时反向加速度，控制直线电机的快速和精确回位或定位。 9.  根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述每组绕组线圈的控 制方式是利用D触发器输出的循环工作信号来控制绕组线圈的运行，绕组线圈 的控制电流由PWM控制电路驱动，通过PWM控制电路控制输出信号的占空比 来调节输出电流。

说明书一种高响应直线电机及控制方法
技术领域
本发明涉及电机领域，更具体地说，是涉及一种高响应直线电机及控制方 法。
背景技术
直线电机的历史可以追溯到1840年惠斯登制作的并不成功的略现雏形的直 线电机，其后的160多年中直线电机经历了探索实验、开发应用和使用商品化 三个时期。1971年至目前，直线电机终于进入独立应用的时期，各类直线电机 的应用得到了迅速的推广，制成了许多有实用价值的装置和产品，例如直线电 机驱动的钢管输送机、运煤机、各种电动门、电动窗等。
直线电机在日常生活中应用很广，动圈式直线电机以其高线性、小滞环和 较好的响应特性而受到广泛的关注，但是由于其运动部件惯性大，导致电信号 的连续控制特性不够好、线性度差、精度低、单向输出、响应慢，灵敏度低， 多用于低频和低精度控制场合。随着自动控制技术和信息技术的高速发展，对 各类自动控制系统的定位精度和响应速度提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种高响应直线电机 及控制方法，实现了直线电机的快速、精确回位或定位，提升直线电机的响应 速度。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种高响应直线电机，包括左端盖、与左端盖连接的右端盖、设于左端盖 与右端盖间且与左端盖连接的中端盖；
所述右端盖内设有若干片呈环形分布的瓦型永磁体，每片瓦型永磁体内设 有铁芯，所述铁芯连接右端盖，铁芯与瓦型永磁体间设有载流线圈，载流线圈 缠绕在绕线筒上，所述绕线筒的中心设有一端伸出左端盖的输出轴；
所述载流线圈为各自独立的三组绕组线圈或五组绕组线圈，每个绕组线圈 分别与一路控制电路连接；
所述控制电路包括电信号电路和触发信号电路；
所述电信号电路用于比较输入给定电流信号与电流传感器反馈信号，并形 成控制信号，此信号再经极性鉴别形成励磁信号、消磁信号两种电流信号；
所述触发信号电路用于根据输入的脉冲振荡信号形成四种不同相位波形触 发信号，并利用这四路触发信号通过门电路来产生控制分割绕组线圈循环工作 的控制信号。
作为优选的，所述右端盖上方安装有接线插座。
作为优选的，所述绕线筒通过定位销、垫片和螺母固定于输出轴，并经由 一导向销支撑于铁芯与瓦型永磁体间。
作为优选的，所述中端盖材料采用白铜。
作为优选的，所述电信号电路包括放大器和极性鉴别电路。
作为优选的，所述放大器用于对初始电流的幅值进行调动，放大器的输出 电流含有一定频率和幅值的颤振电流，并对阶跃信号自动产生速率可调的斜坡 信号。
作为优选的，所述触发信号电路包括D触发器和PWM控制电路。
一种上述高响应直线电机的控制方法，其特征在于，包括：
当启动电机时，控制电路对绕组线圈按控制要求给定电流进行励磁，每个 绕组线圈通入同向电流，且根据绕组位置，其电流大小可各异，这样载流线圈 的总安匝数将叠加，意味着启动时峰值电磁力大大增加，可产生较大的推力；
当关闭电机时，同样根据绕组位置，部分控制电路控制绕组线圈以通入反 向大电流，以增加瞬时反向加速度，从而控制直线电机的快速和精确回位或定 位。
进一步而言，所述每组绕组线圈的控制方式是利用D触发器输出的循环工 作信号来控制绕组线圈的运行，绕组线圈的控制电流由PWM控制电路驱动，通 过PWM控制电路控制输出信号的占空比来调节输出电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明所述的高响应直线电机 采用各自独立的三组绕组线圈或者五组绕组线圈，每个绕组线圈分别与一路控 制电路连接，对各绕组线圈按控制要求给定电流进行励磁，直线电机启动时， 每个绕组线圈通入同向电流，且根据绕组位置，其电流大小可各异，这样载流 线圈的总安匝数将叠加，使得启动时峰值电磁力大大增加，可产生较大的推力； 停止时，控制部分绕组线圈通入反向大电流，以增加瞬时反向加速度，从而实 现直线电机的快速和精确回位或定位，有利于提升直线电机的响应速度。
附图说明
图1是本发明高响应直线电机的结构剖视图；
图2是本发明实施例三组绕组线圈的示意图；
图3是本发明实施例五组绕组线圈的示意图；
图4是本发明实施例线圈工作方式的示意图；
图5是本发明实施例控制电路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种高响应直线电机及控制方法作 进一步说明。
以下是本发明的一种较佳实施例，并不因此限定本发明的保护范围。
图1示出了一种高响应直线电机，包括左端盖10、与左端盖10连接的右端 盖2、设于左端盖10与右端盖2间且与左端盖10连接的中端盖8；所述左端 盖10和右端盖2相互连接形成一容置空间，该容置空间中右端盖2内设有若干 片呈环形分布的瓦型永磁体1，所述若干瓦型永磁1体内设有铁芯4，且与右端 盖2的一端用螺钉3固定连接，铁芯4与瓦型永磁体1间设有载流线圈6，载流 线圈6缠绕在绕线筒12上，所述绕线筒12的中心设有一端伸出左端盖10的输 出轴14；所述右端盖2上方安装有接线插座9。
所述绕线筒12通过定位销13、垫片7和螺母5固定于输出轴14，并经由 一导向销15支撑于铁芯4与瓦型永磁体1间。
所述载流线圈6为各自独立的三组绕组线圈(如图2所示，三组绕组线圈 分别为61、62、63)或五组绕组线圈(如图3所示，在三组线圈的基础上增加 64、65两组绕组线圈)，每个绕组线圈分别与一路控制电路连接，对各绕组线圈 按控制要求给定电流进行励磁。在输入信号加载到载流线圈后，载流线圈在恒 定磁场中受到电磁力作用，从而带动输出轴产生往复直线运动。
在本实施例中，中端盖8采用白铜材料，具有隔磁效果，可减小瓦型永磁 体1提供的磁场的损失，中端盖8通过第一螺钉11和第二螺钉16与采用铝合 金材料的左端盖10相连。
图4是控制电路框图，从图中可以看出，系统的控制电路共分两路，一路 是输入给定电流信号与电流传感器反馈信号相比较形成控制信号，此信号经放 大器处理后再经极性鉴别电路形成励磁、消磁两种电流信号(即电信号电路)， 励磁信号输入到PWM控制电路中，消磁信号则输入到门电路。另一路是利用D 触发器形成如图4所示的四种不同相位波形触发信号，四路触发信号各自与消 磁信号共同通过门电路来产生控制分割绕组线圈循环工作的控制信号(即触发 信号电路)。同时，绕组线圈的控制电流主要是由PWM控制电路驱动，通过PWM 控制电路控制输出信号的占空比来调节输出电流。PWM控制电路将处理后的信 号传递给驱动电路，驱动电路进而控制直线电机运行。
对于每组绕组线圈的控制方式，主要是利用D触发器输出的循环工作信号 来控制绕组线圈的运行，电流大小的调节主要采用脉宽调制(PWM)方式进行控 制，即通过控制输出信号的占空比来控制电流的大小。
本实施例中绕组线圈工作方式如图5所示，图中四条波形图分别表示一组 分割线圈中4个绕组线圈的工作波形。可以看出，这4个绕组线圈的工作周期 都存在一定的相位差，脉冲的循环出现就能控制绕组线圈电流大小。具体实现 方式是利用回路中加入D触发器，以输出4个不同的触发信号来控制与控制信 号相连的控制门，从而达到输出不同控制电流信号的目的。
本实施中实现高速响应的核心是控制电路，以便对控制信号进行整形、运 算和功率放大。本实施中，放大器可对初始电流的幅值进行调动；放大器的输 出电流含有一定频率和幅值的颤振电流，减少了滞环的影响；对阶跃信号能自 动产生速率可调的斜坡信号，减小了过渡过程的冲击。此外本实施例中放大器 的零点漂移较小。
本发明还提供一种上述高响应直线电机的控制方法，包括：
当启动电机时，控制电路对绕组线圈按控制要求给定电流进行励磁，每个 绕组线圈通入同向电流，且根据绕组位置，其电流大小可各异，这样载流线圈 的总安匝数将叠加，启动时峰值电磁力的大大增加，产生较大的推力；
当关闭电机时，部分控制电路控制绕组线圈以通入反向大电流，以增加瞬 时反向加速度，控制直线电机的快速和精确回位或定位。
综上所述，本发明所述的高响应直线电机采用各自独立的三组绕组线圈或 者五组绕组线圈，每个绕组线圈分别与一路控制电路连接，对各绕组线圈按控 制要求给定电流进行励磁，直线电机启动时，每个绕组线圈通入同向电流，且 根据绕组位置，其电流大小可各异，这样载流线圈的总安匝数将叠加，这样使 得启动时峰值电磁力大大增加，可产生较大的推力；停止时，控制部分绕组线 圈通入反向大电流，以增加瞬时反向加速度，从而实现直线电机的快速和精确 回位或定位，有利于提升直线电机的响应速度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详 细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变 形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以 所附权利要求为准。