直線電機保護裝置的設計與控制方法

劉亞奇，郝術壯，朱 偉，孟慶嵩

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

直線電機也稱線性電機或線性馬達，它可以看做由旋轉電機沿徑向剖開并展平而成。隨著技術的成熟和工業的發展，直線電機在工程中的應用越來越普遍，目前最常用的直線電機有平板式、U 型槽式和管式，動子線圈的典型一般是三相[1]。本實驗平臺驅動器控制的直線電機就是一種由霍爾元件實現無刷換相的三相電機。

隨著直線電機技術的成熟，直線運動可以直接由直線電機提供，消除了中間運動轉換。誠然，在效率和精度方面，直線電機比傳統的旋轉機械系統有很多獨特的優勢[2]。正是直線電機的這些優點對實際應用有很重要意義，所以越來越多的工程設計中都在使用這種執行機構。盡管直線電機具有諸多優勢，在工業機器人、機床等各個領域都有廣泛的應用[3]。但是，如遇到大負載而且驅動軸是豎直面的情況，傳統的機械力轉化的旋轉電機就會顯示出它的優勢。這主要是因為直線電機在失電的情況下，尤其在豎直面運動時動子容易掉落，發生事故。這就需要外部加機械保護裝置，而且這種保護要動作迅速。本文就是針對直線電機使用中的這個缺陷，利用驅動器檢測到的掉電信號快速驅動保護機構做出響應，避免事故發生。考慮到反應時間迅速，本文選用了螺線管作為電氣驅動元件，快速驅動執行機構做為直線電機的保護。

1 螺線管應用

螺線管是由導線均勻繞成的圓筒形三維線圈，作為重要元件，它可以為很多物理實驗提供均勻磁場，也可以用做電磁鐵或電感器。在工程學里，螺線管泛指一些將電能量轉換為直線運動的轉換器。在物理學里，螺線管指的是多重卷繞的導線，卷繞內部可以是空心的，或者有一個金屬芯。當有電流通過導線時，螺線管內部會產生磁場。直流電通過導線時產生磁場，把插棒式鐵心吸進螺線管中[4]。

機電螺線管是由電磁感應線圈，卷繞于可移動的不銹鋼或鐵材質的電樞外面所組成的機電原件。當感應線圈乘載電流時，會有磁場產生，感應線圈變成一個電磁鐵，吸引或排斥電樞，造成電樞的移動，可以用來操控其它機械結構。本實驗選用新電源螺線管就是基于這種機理。

2 直線電機防跌落保護裝置的設計與實現

防跌落保護機構的機械結構由外殼、滑塊、銷軸、螺線管、卡鉤等部分組成，如圖1 所示。

圖1 直線電機防跌落保護裝置

其工作原理是：螺線管未通電時，鐵芯處于未伸出狀態，滑塊在彈簧推力作用下到達行程頂端，卡鉤在扭簧的作用下與滑塊在圓弧段接觸，此時為自由狀態。當控制系統檢測到直線電機驅動器裝置的電機使能信號消失，立即驅動螺線管通電，使螺線管鐵芯動作；在螺線管鐵芯的推動下，滑塊克服彈簧阻力向下運動，同時推動卡鉤旋轉；當鐵芯到達極限位置時，滑塊推動卡鉤也到達極限位置，此時滑塊與卡鉤的接觸點在卡鉤圓弧的直線段，實現了位置的自鎖功能。這樣保證了卡鉤即使在受到直線電機掉電運動沖擊也能夠被滑塊栓塞住而不會退回。當驅動器和電機故障解除后，控制系統使螺線管斷電，滑塊在彈簧的推力作用下向上運動，推動鐵芯復位，此時滑塊和卡鉤的接觸卡鉤也在扭簧的作用下復位，保證卡鉤與滑塊在圓弧段接觸。

因摩擦力不大，且其對結果影響甚微，故分析中將其略去。對機構進行受力分析，如圖2 所示。

由受力分析，并根據牛頓定律，可得：

其中，

T-螺線管推力；

F-滑塊與掛鉤件相互作用力；

G-滑塊重力；

R-彈簧彈力；

m-滑塊質量；

M0-扭簧扭矩；

I-掛鉤轉動慣量；

r-圓弧半徑；

x-滑塊圓弧中心的位置；

θ-滑塊與掛鉤件相互作用力與豎向的夾角；

準-掛鉤圓弧中心、轉軸中心之間連線與豎向的夾角；

H-滑塊圓弧中心與轉軸中心在水平方向的距離。

圖2 保護機構力學分析

代入設計的機械數據并求解方程，即可得到計算結果。采用Adams 軟件進行動力學仿真，得出掛鉤的轉角與時間的關系曲線如圖3 所示，仿真結果為120 ms。

圖3 系統仿真轉角和時間的關系曲線

3 電氣試驗與測試結果

3.1 電氣測試設計原理

為了驗證設計的機械結構的有效性，我們需要搭建實際的機電測試平臺。為此，選用了新電源SIZE130PULL 系列的螺線管，根據Copley 電機驅動器，利用它的掉電去使能剎車信號設計電路板驅動螺線管運動，并且用光纖放大器和示波器測試整體機電系統的響應時間。

3.1.1 電氣設計準備

Z 向直線電機出錯后會直接去使能，掉電自由墜落。為此，我們可以手動模擬掉電的去使能過程，并且通過Copley 驅動器自帶的軟件測量出最大行程的跌落時間，作為后續設計實驗的時間參考。測得消耗時間大約為148 ms，這就要求保護裝置反應要靈敏并且在這個反映時間范圍之內盡可能地小。為了保證盡量小的時間延遲，保護裝置要完全脫離軟件檢測，直接靠硬件驅動去控制驅動螺線管運動。為此，我們利用驅動器的Brk 信號，通過硬件電路檢測到Brk 的有無來驅動螺線管運動。驅動器的內部電路和外部供電的示意如圖4 所示。

圖4 驅動器J4 口示意圖

3.1.2 驅動電路設計

本實驗電路主要實現用直線電機驅動器的J4口輸出的Brk 信號通過驅動電路控制螺線管的通斷，實現保護機構的運動。用Protel 設計的驅動實驗電路如圖5 所示。

圖5 螺線管驅動電路原理圖

其中，J2連接驅動器的去使能信號，得到信號后通電24 V，驅動PC817 光藕控制三極管IRF540N的通斷，并且通過J1電源給J3螺線管供電，驅動螺線管鐵芯運動帶動保護機構，使得保護裝置的卡勾彈出實現直線電機的動子跌落保護功能。

3.1.3 保護裝置反應時間測試

保護裝置是在設備報錯的情況下及時做出反應，避免事故的發生，這就要求出錯后反應要盡可能的快。為了測試出這個極短的反應時間，我們需要設計搭建一種巧妙的測試平臺，精確的測量出系統反應時間。測試平臺如圖6 所示。

圖6 保護機構機電系統實驗測試平臺

測試原理，光纖放大器通過檢測到卡勾到位之后，給出一個開關量輸出，通過接入示波器可以方便的觀察到這個信號輸出，與記錄的初始電源接通的信號時間做差，通過示波器的游標可以得出整個保護系統的響應時間。

3.2 試驗測試結果與分析

3.2.1 螺線管反應時間測試

示波器采圖如表1 所示。

表1 不同行程下螺線管反應時間

由表1 可見，單獨螺線管在不同行程下的響應都比較快。

3.2.2 系統整體反應時間測試

我們把掉電信號和機械掛鉤到位信號用示波器采集，可以得到波形圖下圖7 所示。

圖7 保護機構整體系統反應時間

其中，黃線的跳變折線點表示直線電機掉電時刻，綠線折線點表示光纖放大器檢測到掛鉤的到位時刻。兩者之間的時間差值就是系統的整體反應時間。

4 實驗分析與結論

鍵合頭在整個行程中去使能自由落體，耗時為148 ms。目前由測試結果看，螺線管反應時間為18.4 ms，完全符合設計要求。這主要是因為檢測和驅動都是依賴于硬件電路，并且機械裝置設計小巧，扭簧、彈簧彈性系數很小，且卡勾質量較輕。

5 結束語

該機構是針對直線電機動子在豎直Z 向運動時由于驅動器出錯報警或者其它原因造成電機使能信號消失跌落，保護運動機構和接觸面而設計完成的。這套機電機構解決了直線電機沒有剎車抱閘功能的缺陷，具有很強的實際應用價值，結構簡單靈巧，整體反應時間比較快，一般的保護都能實現，能很好的應用于實際生產中。相信隨著直線電機的發展，這種保護機構會更好的集成在電機保護設計中，有很好的應用前景。

[1] 葉云岳.直線電機原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2] 王莉.現代直線電機關鍵控制技術及其應用研究[D].浙江大學，2012.

[3] 宋書中，胡業發，周祖德. 直線電機的發展及應用概況[J]. 控制工程，2006，13(3)：199-277.

[4] 王少杰.大學物理學（第二版）[M].上海：同濟大學出版社，2002.